【導讀】隨著(zhù)全球能源消耗的顯著(zhù)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(chǎng)安全和排放以及氣候變化等問(wèn)題的關(guān)注意味著(zhù)能源政策已經(jīng)成為公眾熱議的主題。在這種環(huán)境下，當代電廠(chǎng)以及下一代電廠(chǎng)的設計、建造和運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(chǎng)達到和超過(guò)預期的效率、安全和排放目標 。今天就給大家介紹在設計發(fā)電系統時(shí)候關(guān)于虛擬樣機的運用方法。
一個(gè)新系統或重新設計系統的設計內容來(lái)自多個(gè)方面：以往的經(jīng)歷和工程經(jīng)驗將有助于開(kāi)始流程，不變的計算規則將帶來(lái)更詳細的設備規模信息。但為了高效地設計 電廠(chǎng)，使之在正常運作或出現計劃中或意外關(guān)機時(shí)都能安全工作，清楚地了解系統瞬態(tài)反應特性是很有必要的。
明導的Flowmaster以能夠模擬穩態(tài)和瞬態(tài)下的液體和氣體系統而享譽(yù)全球；它利用了詳細的元件模型和強大的解決方案 。在Flowmaster中建立系統的虛擬樣機使用戶(hù)能夠確定最佳的運行點(diǎn)，并在設計流程中盡早運行可能出現的狀況。支持Flowmaster元件模型的經(jīng)驗數據使用戶(hù)能夠在設計階段初期運行模擬狀況，并確信產(chǎn)生的結果是正確且有用的。
本文將論述這種方法如何在行業(yè)中應用，從而設計出最佳的發(fā)電系統。文章的重點(diǎn)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)電系統緊密相關(guān)的眾多元件之一。其它應用包括但不限于： 阻尼、熱交換器、疏水器和渦輪機。
示例：冷卻水冷凝回路
冷卻水網(wǎng)對于所有熱電廠(chǎng)的運作而言都十分重要。所有 化學(xué)燃料和核電廠(chǎng)中經(jīng)常會(huì )用到蘭金循環(huán)，其要求充滿(mǎn)整個(gè)渦輪機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(diǎn)前經(jīng)過(guò)大型熱交換器 的蒸汽側；這些水通常來(lái)自海里或者較大的內河，這樣才能有足夠的生產(chǎn)能力。
這些冷凝器是價(jià)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)化冷卻水系統很重要，設計師有必要了解系統如何響應水泵跳閘或安全閥關(guān)閉導致的意外關(guān)機。
圖1：冷卻水網(wǎng)的Flowmaster原理圖
在圖1所示網(wǎng)絡(luò )中，兩個(gè)冷凝器分別由兩 臺離心泵驅動(dòng)。一旦兩個(gè)泵跳閘，一個(gè)中間控制閥將開(kāi)啟，從而讓其余的泵來(lái)驅動(dòng)這一對冷凝器。
Flowmaster的仿真分析性能讓用戶(hù)：
●證實(shí)設計程序足以保證安全運行
●判斷該程序對電路性能的影響
●確立非托管型關(guān)閉的后果
●判斷需要采取哪些措施來(lái)確保即使是在這種極端條件下設備完整性和工廠(chǎng)安全也不會(huì )處于風(fēng)險中
為了能夠將此類(lèi)情況考慮在內，Flowmaster 包含詳細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(mén)安裝和水箱中夾帶的氣孔等因素。為了檢查受控關(guān)閉程序設計的有效性，可以評審電路中關(guān)鍵點(diǎn)壓力的時(shí)間歷史記錄和水箱液體水平。對系統的干擾如下：
●為最上面的冷凝器提供動(dòng)力的兩個(gè)泵跳閘。注意泵的速度變化率（圖2藍色線(xiàn)）與葉輪施加給傳動(dòng)軸的扭矩之間的關(guān)系，與泵和電機慣性成反比
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●泵跳閘兩秒后，泵正下游的閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，以防止回流帶來(lái)的任何損害
●與此同時(shí)，連接兩個(gè)電路的閥門(mén)開(kāi)始打開(kāi)，讓其余兩個(gè)正在運行的泵來(lái)驅動(dòng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )
圖2：意外關(guān)閉情況
為了判斷這個(gè)程序是否足以保證受控關(guān)閉，我們可以觀(guān)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(guò)程中任何指定點(diǎn)獲得的最大值或最小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結果（圖3）表明設計程序不會(huì )導致壓力達到令人擔憂(yōu)的過(guò)高水平。
圖3：有節點(diǎn)壓力偏離額定值的Flowmaster模擬結果
考慮了整個(gè)電路的壓力后，就可以更詳細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(wú)二的，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，讓用戶(hù)能夠準確預測殼管式冷凝器及其連接電路的瞬態(tài)反應。它讓用戶(hù)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(gè)模型中，冷凝器的結構為：水箱高2.6米，安裝在基準水位以上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(chǎng)停止運轉，假定可接受的最低安全標準為液面不能低于這個(gè)點(diǎn)。
圖5 ：電路故障的模擬結果
在模擬過(guò)程中，兩個(gè)泵如之前一樣跳閘， 而且連接兩個(gè)電路的閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)，因此最上面的冷凝器完全關(guān)機。這種情況當然影響很大。隨著(zhù)泵的運轉減速，閥門(mén)關(guān)閉，下游系統內的壓力會(huì )逐漸下降，最終形成蒸汽空泡，而蒸汽空泡會(huì )增大，并在22秒內破裂（見(jiàn)圖5的紅線(xiàn)）。由此產(chǎn)生的壓力峰值達到11 bar，遠高于正常工作壓力。蒸汽空泡增大、 再次破裂，由此導致的壓力峰值是一種典型的水錘現象。這對冷凝器的影響同樣很大。兩個(gè)水箱的排水情況遠低于理想水平，出水箱只能通過(guò)反向水流恢復其水位，例如之前通過(guò)管束的水流被“吸”回到冷凝器里并通過(guò)管子回流。在這種情況下，如果不采取措施，設備極有可能受到相當大的損壞。
Flowmaster讓用戶(hù)可以對各種設計方案進(jìn)行樣機模擬，從向冷凝器本身注氣到調壓水箱和貯氣袋等系統的其它裝置。該模擬過(guò)程指出兩大需要解決的問(wèn)題：
●蒸汽空泡在泵的正下游形成和破裂。根據所選管道的壓力等級，可能會(huì )對設備造成損害。
●水箱水位降低，元件內部形成大量蒸汽空泡。極有可能對設備造成損害。
這兩種現象的時(shí)間歷史記錄表明，早在冷凝器的運作受到干擾之前，管道里的蒸汽空泡就已形成，解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法是在設計里加上兩個(gè)調壓塔，參見(jiàn)圖6。
圖6：兩個(gè)調壓塔置于泵的正下游
這些設備就位后，Flowmaster重新運行網(wǎng)絡(luò )。如果大小適當，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(gè)位置的壓力（圖7）可以看出，確實(shí)可以解決問(wèn)題。雖然在很短的一段時(shí)間內，壓力不能降低到略低于大氣壓的水平，但不會(huì )形成蒸汽空泡，也不會(huì )產(chǎn)生水錘現象?？梢圆捎?Flowmaster來(lái)優(yōu)化這些裝置的大小，確保裝置的運用得當并避免安裝成本過(guò)高。
圖7：添加兩個(gè)調壓塔解決了水錘和蒸汽空泡的問(wèn)題
總結
本文簡(jiǎn)單闡述了如何在發(fā)電系統的設計過(guò)程中使用虛擬樣機。在此過(guò)程中，可以對發(fā)電系統中的所有元件進(jìn)行設計和模擬，從而優(yōu)化流體流動(dòng)、熱傳遞并確保系統符合當今的安全性、高效性和環(huán)保性等重要指標。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)。這種虛擬樣機方法可以取代耗時(shí)耗財的實(shí)體樣機制作并避免過(guò)度設計等問(wèn)題。
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