Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 1 Mérési útmutató APROS laboratóriumi gyakorlatok 1. Ismerkedés az APROS programmal A gyakorlat célja: A gyakorlat során Windows 2000 környezetben tanulmányozzuk az APROS v5.06 termohidraulikai rendszerkód működését, illetve elsajátítjuk a kód alapvető funkcióit. Összeállítunk néhány egyszerű kapcsolást, amelyekkel különböző tranziens folyamatokat vizsgálhatunk. A gyakorlat bemutatja a futási eredmények kiértékelésének módszereit is. Az APROS kódrendszer Az APROS (Advanced Process Simulator) alapvetően egy egydimenziós termohidraulikai rendszerkód, amit a finn Imatran Voima cég és a VTT kutatóintézet fejleszt 1986 óta. A fejlesztés célja egy olyan programcsomag megalkotása, ami komplex energetikai és vegyipari rendszerek tervezését, analízisét és szimulációját teszi lehetővé. A kód főbb jellemzői: A termohidraulikai modell egy dimenzióban oldja meg gőz és vízfázisra a kontinuitási, energia és impulzusmegmaradási egyenletet. A kód a termohidraulikai modellhez kapcsolva képes egydimenziós reaktorkinetika, mérésirányítás és szabályozástechnika, elektromos hálózat, a hermetikus térben zajló folyamatok és a súlyos baleseti szituációban várható üzemanyagsérülés számítására is. Így nemcsak az alapvető fizikai folyamatok, hanem a teljes rendszer viselkedése vizsgálható, mind üzemi, mind üzemzavari és baleseti helyzetekben. A felhasználó a modellt előre elkészített komponensekből (pl. csővezeték, hidroakkumulátor, gőzturbina) rakja össze, a matematikai modellezéshez szükséges termohidraulikai nódusokat, szakaszokat, hőforrásokat stb. a program generálja le. Természetesen a felhasználónak lehetősége van ezt befolyásolni, felülbírálni. A programcsomagnak része egy jól átlátható, interaktív grafikus felhasználói felület (GRADES), a szükséges munka zöme ezen keresztül egyszerűen elvégezhető. Mivel a GRADES utólag készült el, lehetőség (esetenként szükség) van az eredeti, parancssoros felület használatára is.
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 2 A jelenlegi desktop PC k teljesítménye elegendő ahhoz, hogy valós időben (vagy esetleg még gyorsabban) fussanak az egyszerűbb tranziensek. A komplikáltabb, primer köri kétfázisú áramlással járó atomerőművi folyamatok modellezése természetesen jóval számításigényesebb. A felhasználó saját modulokkal bővítheti a modellt. A programcsomag fizikai modelljeit számtalan, valós kísérlethez és méréshez, illetve benchmark problémához validálták, így a kód és az eredmények kellő reputációval rendelkeznek. Az APROS ban a modelleknek három hierarchikusan egymásra épülő szintjét különböztethetjük meg: A legalacsonyabb szint a számítási szint (calculation level). Ezen a szinten csak a berendezéseket felépítő nódusokat (térfogatelemeket) és az azokat összekötő brancheket (szakaszokat) találhatjuk meg. Az állapotjelzők a nódusokban értelmezhetőek, a térfogatáramok és a sebességeket a kód a szakaszokban számolja. A második szint a folyamatelem szint (process component level). A modellezéskor a grafikus felületen keresztül leggyakrabban ezzel a szinttel kerülünk kapcsolatba. A program által rendelkezésünkre bocsátott, előre elkészített berendezés modellek nagyban megkönnyítik és felgyorsítják a kód használatát. A legfelső szint a folyamat szint (process level). Ez a modell részeinek könnyebb áttekinthetőségét teszi lehetővé, külön sémákba oszthatjuk az egyes rendszerek berendezéseit (pl.: primer és szekunder köri séma, sémák különböző üzemzavari rendszerekhez, szabályozó körökhöz, stb.). Elvégzendő feladatok leírása: Az APROS kód windows os grafikus felületét, a GRADES programot az asztalon található ikon segítségével indíthatjuk el. Innen a Log In gombra kattintva kapcsolódik a
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 3 GRADES a tényleges termohidraulikai szimulációt végző APROS programhoz. A munkaterület kiválasztása (Project/Open workspace Hallgatoigyak) után a program betölti az utoljára elmentett modellt. A menüsorban az alábbi fő menüpontok jelennek meg. Project APROS szerver kilépés belépés Projektek és munkaterületek Modellek létrehozása, betöltése, elmentése. Sémák (Net) létrehozása, megnyitása, törlése, exportálása és importálása. Új csoport létrehozása (group). Nyomtatás, kilépés. Mode A szimuláció futtatása, léptetése, leállítása. Séma hozzáadása a szimulációhoz/kivétele a szimulációból. Tools Szimbólumok manipulálása. Net, Run, Edit, Draw, View ablak megnyitása. A program beállításai (Options) Itt találhatók az alapértelmezett ablakok ( Default tools ). Szimuláció beállításai (időlépés, stb.) Trends Grafikonok definiálása ( Pick ), kilistázása. Grafikonok alapértelmezett beállításai. Grafikonok elmentése. Exchange Modell/séma importálás/exportálás Model Script futtatás Modul keresése Hozzáférés szintjének változtatása Modell beállítás, zárolás Edit (csak akkor jelenik meg, ha van megnyitott séma!) Másolás, beillesztés, törlés.
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 4 Minden elem kijelölése Display (csak akkor jelenik meg, ha van megnyitott séma!) Nagyítás Markerek létrehozása, törlése, markerhez ugrás. Kép beállításai (keret, skála, rács stb.). Rétegek (Layer). Szerkesztés beállításai (mutat/rejt, snap, vonalak szöge) Bináris jelek: színek használata, definiálása, frissítése. Kép újrarajzolása. Window Ablakok elrendezésének megváltoztatása ( Tile, Cascade ), ablakok bezárása. Üzenetablak ( Apros Message Window ) és projektablak ( Project View ) megnyitása. Nyitott sémák listája. Help Segítségkérés, a leírás html formában érhető el.
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 5 1. feladat: Hozzunk létre egy új modellt, és azon belül egy új sémát (net)!. Nyissuk meg a Net, Run, Edit, Draw, View ablakokat, és az üzenetablakot! Net Innen lehet a különböző, előre definiált elemeket kiválasztani, és a modellbe beépíteni. Az ablak tetején az adott elemcsoport elemei láthatóak, egy elemcsoportra duplán klikkelve az kinyílik, és így kiválasztható a kívánt elem. A sémára klikkelve a program az adott elemet lerakja a séma kiválasztott helyére. A legfontosabb elemek: AUT: mérés és irányítástechnika (analóg és digitális áramköri elemek, mérőelemek, szabályozók stb.) BO I: kazánok CO N: konténment ELE: elektromos berendezések EX E: a szimuláció beállításai PRO: áramlásttechnikai berendezések (csővezetékek, hőcserélők, szivattyúk, szelepek stb.) REA: atomerőművi berendezések (reaktor, térfogatkompenzátor, gőzfejlesztők stb.) Az ablak alján lehet átváltani az elemek közti kapcsolatokra: Connections: csővezeték áramlás (flow, gyakorlatilag referencia) analóg jel digitális jel referencia (name reference) A name reference nem elem, segítségével lehet definiálni az egyes elemek kapcsolatát. Az analóg/digitális jel és a csővezeték referencia és elem is egyben. Run Szimuláció leállítása, futtatása, léptetése.
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 6 Edit Felső sor: Elem kiválasztása, Sarkok/monitorok mozgatása, Törlés, Rétegek manipulálása, Forgatás Alsó sor: Tükrözés, elemek elhelyezkedésének változtatása. Draw Vonalak, körök, téglalapok rajzolása, szövegdobozok létrehozása, kép beszúrása. View Felső sor: Nagyítás, Kicsinyítés, Terület kinagyítása, Marker létrehozása, Marker terület Alsó sor: Teljes oldal, Teljes szélesség, Összes elem, Markerhez ugrás Jobb oldal: séma scrollozása Jobb egérgombot megnyomva a séma felett, egy menü tárul fel. A menü tartalma attól függ, hogy a séma melyik része, illetve milyen elem fölött hívtuk le ezt a menüt. Hilite: Szimuláción kívüli, illetve nem definiált elemek kijelzésének ki és bekapcsolása Monitor Összes monitor megjelenítése/elrejtése/törlése, default monitorok Show/Hide Hálózat, határok stb. be/kikapcsolása. Snap Zoom Net in simulation : séma kivétele a szimulációból Refresh binary signals, Redraw
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 7 Rakjunk ki három pontot (point), egy csövet (pipe) és egy szelepet (basic valve) a sémánkra! Jobb egérgombot nyomva egy elemen, egy újabb menü tárul fel: Properties Az elem tulajdonságai. Documentation Dokumentáció létrehozása Method Milyen (hány egyenletes) modellt használjon az adott elem. Monitor(csak akkor jelenik meg, ha van modul rendelve az elemhez!) Az elem egyes tulajdonságait ki lehet íratni a sémára az elem mellé (pl. csővezetékeknél forgalom, tartályoknál vízszint stb.). In simulation(csak akkor jelenik meg, ha van modul rendelve az elemhez!) Az elemet ki lehet venni a szimulációból (pl. így lehet külső pontot létrehozni). Detach from module / Attach to another module (csak akkor jelenik meg, ha van modul rendelve az elemhez!) Az elemet hozzá lehet rendelni egy másik modulhoz (pl. a parancssorból létrehozunk egy pontot, majd utólag csatoljuk hozzá a pontnak a képét). Copy/Create slave copy Egy elem képe több sémán szerepelhet (pl. egy szelep a saját helyén, és a vezérlésénél) Jump to: Slave copy hoz ugrás. Nézzük meg, milyen paraméterei vannak az újonnan létrehozott elemeknek! Adjunk nevet és paramétereket új elemeknek! Kössük őket össze name reference típusú kapcsolattal! Jobb gomb, Properties
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 8 Az elénk táruló táblázatban látjuk az elem paramétereit. Az első oszlop a paraméter neve, a második a mennyisége, a harmadik a mértékegysége. A fehér alapú rubrikákba tudjuk beírni az általunk megadandó értékeket. Fontos: amikor először OK t nyomunk a Propertiesablakra, csak akkor hozza létre a program az adott elemhez tartozó nódusokat és szakaszokat! Addig nem is létezik az elem, csak a képe látszik! Első pont: Flow model: 6 Pressure: 1.5 MPa Temperature: 20 C Miután definiáltuk, vegyük ki a szimulációból a pontot! Csőszakasz az első és második pont között: Flow length of pipe: 10 m Number of calculation nodes inside the pipe : 5 Második pont Flow model: 6 Szelep a második és harmadik pont között Position of valve: 0 Harmadik pont: Flow model: 6 Pressure: 0.5 Temperature: 20 Miután definiáltuk, vegyük ki a szimulációból a pontot! Az elemek összekötése úgy zajlik, hogy a kötés kiválasztása után megváltozott kurzorral egyet klikkelünk a pont közepén (a piros négyzeten), majd egyet a cső végén, a kék körön. Nézzük meg, hogy a parancssorban hogy néznek ki az elemeink! Milyen részekből áll a csővezeték? Project/Project Manager, majd CTRL A és ENTER
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 9 Parancsok: show [elem neve] list [elem neve] modify [elem neve] [paraméter] [új érték] Állítsuk be a szimuláció tulajdonságait A Net ablak segítségével hozzunk létre egy Experiment, egy Experiment control és egy Speed control elemet, és attach oljuk őket a rájuk írt modulokhoz. Írassuk ki a sémára az elemek különböző paramétereit! Jobb gomb az elemen: Monitor Define / Hide / Remove: Monitor létrehozása, elrejtése, törlése. Use this monitor for similar nodes: Az elemhez definiált monitorokat létrehozza a többi elem számára is. Show / Hide / Remove monitor for similar nodes: a hasonló elemek monitorait mutatja/rejti/törli. Monitor/Define Edit / Run / Edit+Run: Szerkesztés közben, futtatás közben, vagy folyamatosan mutassa a monitort Add / Add all: Kiválasztott/összes paraméter hozzáadása Remove / Remove All: Kiválasztott/összes paraméter törlése Format: Formátum beállításai Font: Karakterkészlet váltása A szükséges paraméterek: Pontok: nyomás, hőmérséklet Csővezeték: forgalom Szelep: szelep pozíció (3 tizedesjegyig) Ha mindent jól csináltunk, valami hasonló ábra látható a monitoron:
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 10 Mentsük el a modellt! Indítsuk el a szimulációt, és vizsgáljuk a különböző paramétereket a nyomásviszonyok és a szelep pozíciója függvényében! 2. feladat Építsünk forgalommérést a modellbe! Szabályozzuk a forgalmat szabályozó szeleppel! Fontos: az elemek csatlakozásainak nevét CTRL+jobb egérgomb segítségével tudhatjuk meg! Net/Nodes/Aut Measurements/Flow High limit: 1000 Kössük össze Name reference segítségével a csövön található piros négyzetet a forgalommérés elemén található lila ponttal. Az egyszerű szelepet cseréljük le szabályozó szelepre: Net / PRO Valves / Control Valve.
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 11 A szelephez rendeljünk szabályozót: Net / Nodes / AUT Device Controls / DC Continuous S. Kössük össze Name reference segítségével a DC2_COMPONENT_ATTR nevű narancssárga pontját a szelep közepén található piros négyzettel. A szabályozó tulajdonságainál a Controlled component + attribute t állítsuk be: _COV01_VA1 VA_POSITION Hozzunk létre egy PI szabályozót: Net / Nodes / AUT Controllers / PI Controller S Gain: 0.1 Integration time: 5 Hozzunk létre egy alapjeladót: Net/ Nodes / AUT Analog Basic / Setpoint S Setpoint value: 100 Maximum value 1000 Kössük össze analóg jelekkel a következő pontokat: A forgalommérő FM_NONSCALED_OUT_SIGN pontját a PI szabályozó PI_MEASUREMENT_SIGN pontjával, A setpoint SP_OUTPUT_SIGN pontját a PI szabályozó PI_SETPOINT_SIGN pontjával, és a PI szabályozó PI_OUTPUT_SIGN pontját a szabályozó DC2_INPUT_SIGN pontjával. A fontosabb paraméterek változását kövessük monitorral! Hibakeresésre használjuk a Hilite funkciót! 3. feladat Építsünk szivattyút a modellbe! Dolgozzunk ki módszert a szivattyú jelleggörbéjének meghatározására! Határozzuk meg a szivattyú jelleggörbéjét! Net / PRO Pumps / Basic Pump
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 12 A jelleggörbe meghatározásához szükséges paramétereket írassuk ki file ba, ehhez szükség lesz a Net / EXE Simulation Control csoportból egy IO Set és egy External names for IO modulra. Az Experiment Control elemnek meg kell adni az IO Set elem nevét, az IO Set elemnek meg kell adni az External names elem és az output file nevét, az External names elemnek meg kell adni az archiválni kívánt paraméterek nevét. A szivattyú vizsgálatához szükséges APROS modell az alábbi ábrához hasonlóan nézhet ki: 4. feladat Építsünk hőcserélőt és hőmérsékletszabályozást a modellbe! Vizsgáljuk meg, hogyan reagál a hőmérsékletszabályozás a forgalomváltozásra! A PI szabályozó és a csővezetékek paraméterei megegyeznek az előzőekben felhasznált elemek értékeivel. A keresztáramú hőcserélő (Cross Flow Heat Exchanger) adatai: Inside radius of one heat exchanger tube: 5 mm Outside radius of one heat exchanger tube: 6 mm Average length of heat exchanger tubes: 1 m Number of parallel heat exchanger tubes: 200
Mérési útmutató BME NTI APROS 1. / 13 A modell tesztelése során hasznos lehet a trendablakok használata. Új grafikont a menüsorból a Trends / Pick menüpont kiválasztásával lehet létrehozni. A menüpont kiválasztása után a kurzor megváltozik. A vizsgálni kívánt elemre klikkelve, a megjelenő ablakban ki kell választani a vizsgálni kívánt paramétert. Egy már létező trendablakhoz további görbéket a Pick gomb segítségével adhatunk. A modellben található setpoint ok változtatásával különféle tranzienseket vizsgálhatunk. Dokumentálják mérési jegyzőkönyvben a gyakorlat során felépített APROS modelleket, illetve az azokkal nyert szimulációs eredményeket!