【導(dǎo)讀】隨著全球能源消耗的顯著提升，公眾對于我們 電網(wǎng)的性質(zhì)和范圍也越發(fā)關(guān)注。對燃料供給安全、工廠安全和排放以及氣候變化等問題的關(guān)注意味著能源政策已經(jīng)成為公眾熱議的主題。在這種環(huán)境下，當(dāng)代電廠以及下一代電廠的設(shè)計、建造和運(yùn)作人員手頭擁有一切必要的工具， 用以展示他們已經(jīng)使電廠達(dá)到和超過預(yù)期的效率、安全和排放目標(biāo) 。今天就給大家介紹在設(shè)計發(fā)電系統(tǒng)時候關(guān)于虛擬樣機(jī)的運(yùn)用方法。
一個新系統(tǒng)或重新設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容來自多個方面：以往的經(jīng)歷和工程經(jīng)驗將有助于開始流程，不變的計算規(guī)則將帶來更詳細(xì)的設(shè)備規(guī)模信息。但為了高效地設(shè)計 電廠，使之在正常運(yùn)作或出現(xiàn)計劃中或意外關(guān)機(jī)時都能安全工作，清楚地了解系統(tǒng)瞬態(tài)反應(yīng)特性是很有必要的。
明導(dǎo)的Flowmaster以能夠模擬穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的液體和氣體系統(tǒng)而享譽(yù)全球；它利用了詳細(xì)的元件模型和強(qiáng)大的解決方案 。在Flowmaster中建立系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)使用戶能夠確定最佳的運(yùn)行點，并在設(shè)計流程中盡早運(yùn)行可能出現(xiàn)的狀況。支持Flowmaster元件模型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)使用戶能夠在設(shè)計階段初期運(yùn)行模擬狀況，并確信產(chǎn)生的結(jié)果是正確且有用的。
本文將論述這種方法如何在行業(yè)中應(yīng)用，從而設(shè)計出最佳的發(fā)電系統(tǒng)。文章的重點是典型的冷卻水回路，尤其是容抗。這只是Flowmaster元件庫中與發(fā)電系統(tǒng)緊密相關(guān)的眾多元件之一。其它應(yīng)用包括但不限于： 阻尼、熱交換器、疏水器和渦輪機(jī)。
示例：冷卻水冷凝回路
冷卻水網(wǎng)對于所有熱電廠的運(yùn)作而言都十分重要。所有 化學(xué)燃料和核電廠中經(jīng)常會用到蘭金循環(huán)，其要求充滿整個渦輪機(jī)的蒸汽在回到熔爐之前重新液化成水。這就需要大量的水在回到源點前經(jīng)過大型熱交換器 的蒸汽側(cè)；這些水通常來自海里或者較大的內(nèi)河，這樣才能有足夠的生產(chǎn)能力。
這些冷凝器是價格昂貴的重要元件，因此了解它們在所處環(huán)境中的性能十分重要。優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)很重要，設(shè)計師有必要了解系統(tǒng)如何響應(yīng)水泵跳閘或安全閥關(guān)閉導(dǎo)致的意外關(guān)機(jī)。
圖1：冷卻水網(wǎng)的Flowmaster原理圖
在圖1所示網(wǎng)絡(luò)中，兩個冷凝器分別由兩 臺離心泵驅(qū)動。一旦兩個泵跳閘，一個中間控制閥將開啟，從而讓其余的泵來驅(qū)動這一對冷凝器。
Flowmaster的仿真分析性能讓用戶：
●證實設(shè)計程序足以保證安全運(yùn)行
●判斷該程序?qū)﹄娐沸阅艿挠绊?br />
●確立非托管型關(guān)閉的后果
●判斷需要采取哪些措施來確保即使是在這種極端條件下設(shè)備完整性和工廠安全也不會處于風(fēng)險中
為了能夠?qū)⒋祟惽闆r考慮在內(nèi)，F(xiàn)lowmaster 包含詳細(xì)的冷卻水冷凝器模型，從而能夠了解水箱幾何尺寸、注氣閥門安裝和水箱中夾帶的氣孔等因素。為了檢查受控關(guān)閉程序設(shè)計的有效性，可以評審電路中關(guān)鍵點壓力的時間歷史記錄和水箱液體水平。對系統(tǒng)的干擾如下：
●為最上面的冷凝器提供動力的兩個泵跳閘。注意泵的速度變化率（圖2藍(lán)色線）與葉輪施加給傳動軸的扭矩之間的關(guān)系，與泵和電機(jī)慣性成反比
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●泵跳閘兩秒后，泵正下游的閥門開始關(guān)閉，以防止回流帶來的任何損害
●與此同時，連接兩個電路的閥門開始打開，讓其余兩個正在運(yùn)行的泵來驅(qū)動兩個網(wǎng)絡(luò)
圖2：意外關(guān)閉情況
為了判斷這個程序是否足以保證受控關(guān)閉，我們可以觀察管網(wǎng)中是否有壓力峰值或蒸汽空泡形成。此外，我們可以判定水箱水平是否受到影響。最方便的方法就是用模擬過程中任何指定點獲得的最大值或最小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結(jié)果（圖3）表明設(shè)計程序不會導(dǎo)致壓力達(dá)到令人擔(dān)憂的過高水平。
圖3：有節(jié)點壓力偏離額定值的Flowmaster模擬結(jié)果
考慮了整個電路的壓力后，就可以更詳細(xì)地檢查冷凝器本身了。
圖4：模型原理圖
冷凝器模型本身對于Flowmaster而言是獨一無二的，經(jīng)過多年的開發(fā)，讓用戶能夠準(zhǔn)確預(yù)測殼管式冷凝器及其連接電路的瞬態(tài)反應(yīng)。它讓用戶能夠考慮水箱水平、流速和壓力的變化，以及安裝注氣的影響。這種特殊模型并不是為了描述傳熱，但是卻可以用其它Flowmaster熱交換器元件做到。
在這個模型中，冷凝器的結(jié)構(gòu)為：水箱高2.6米，安裝在基準(zhǔn)水位以上3.7米處。管束延伸至水箱頂部以下0.35米處。為了避免工廠停止運(yùn)轉(zhuǎn)，假定可接受的最低安全標(biāo)準(zhǔn)為液面不能低于這個點。
圖5 ：電路故障的模擬結(jié)果
在模擬過程中，兩個泵如之前一樣跳閘， 而且連接兩個電路的閥門無法打開，因此最上面的冷凝器完全關(guān)機(jī)。這種情況當(dāng)然影響很大。隨著泵的運(yùn)轉(zhuǎn)減速，閥門關(guān)閉，下游系統(tǒng)內(nèi)的壓力會逐漸下降，最終形成蒸汽空泡，而蒸汽空泡會增大，并在22秒內(nèi)破裂（見圖5的紅線）。由此產(chǎn)生的壓力峰值達(dá)到11 bar，遠(yuǎn)高于正常工作壓力。蒸汽空泡增大、 再次破裂，由此導(dǎo)致的壓力峰值是一種典型的水錘現(xiàn)象。這對冷凝器的影響同樣很大。兩個水箱的排水情況遠(yuǎn)低于理想水平，出水箱只能通過反向水流恢復(fù)其水位，例如之前通過管束的水流被“吸”回到冷凝器里并通過管子回流。在這種情況下，如果不采取措施，設(shè)備極有可能受到相當(dāng)大的損壞。
Flowmaster讓用戶可以對各種設(shè)計方案進(jìn)行樣機(jī)模擬，從向冷凝器本身注氣到調(diào)壓水箱和貯氣袋等系統(tǒng)的其它裝置。該模擬過程指出兩大需要解決的問題：
●蒸汽空泡在泵的正下游形成和破裂。根據(jù)所選管道的壓力等級，可能會對設(shè)備造成損害。
●水箱水位降低，元件內(nèi)部形成大量蒸汽空泡。極有可能對設(shè)備造成損害。
這兩種現(xiàn)象的時間歷史記錄表明，早在冷凝器的運(yùn)作受到干擾之前，管道里的蒸汽空泡就已形成，解決這個問題的最好方法是在設(shè)計里加上兩個調(diào)壓塔，參見圖6。
圖6：兩個調(diào)壓塔置于泵的正下游
這些設(shè)備就位后，F(xiàn)lowmaster重新運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。如果大小適當(dāng)，可以防止蒸汽空泡的形成以及由此產(chǎn)生的壓力峰值。從這個位置的壓力（圖7）可以看出，確實可以解決問題。雖然在很短的一段時間內(nèi)，壓力不能降低到略低于大氣壓的水平，但不會形成蒸汽空泡，也不會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象?？梢圆捎?Flowmaster來優(yōu)化這些裝置的大小，確保裝置的運(yùn)用得當(dāng)并避免安裝成本過高。
圖7：添加兩個調(diào)壓塔解決了水錘和蒸汽空泡的問題
總結(jié)
本文簡單闡述了如何在發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計過程中使用虛擬樣機(jī)。在此過程中，可以對發(fā)電系統(tǒng)中的所有元件進(jìn)行設(shè)計和模擬，從而優(yōu)化流體流動、熱傳遞并確保系統(tǒng)符合當(dāng)今的安全性、高效性和環(huán)保性等重要指標(biāo)。本文還介紹了將Flowmaster的冷凝器元件作為瞬態(tài)模擬的一部分可以如何幫助理解可控和不可控的瞬態(tài)事件的性質(zhì)。這種虛擬樣機(jī)方法可以取代耗時耗財?shù)膶嶓w樣機(jī)制作并避免過度設(shè)計等問題。
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