電子設計自動化技術的領導廠商 Mentor Graphics近日發布一份題為《通過虛擬樣機優化發電系統》的研究報告。中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網站閱讀和下載：[http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=233 ]。

 

作者：明導機械分析部門 John Murray

隨著全球能源消耗的顯著提升，公眾對于我們電網的性質和范圍也越發關注。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注意味著能源政策已經成為公眾熱議的主題。在這種環境下，當代電廠以及下一代電廠的設計、建造和運作人員手頭擁有一切必要的工具，用以展示他們已經使電廠達到和超過預期的效率、安全和排放目標。

 

一個新系統或重新設計系統的設計內容來自多個方面：以往的經歷和工程經驗將有助于開始流程，不變的計算規則將帶來更詳細的設備規模信息。但為了高效地設計電廠，使之在正常運作或出現計劃中或意外關機時都能安全工作，清楚地了解系統瞬態反應特性是很有必要的。

 

明導的Flowmaster® 以能夠模擬穩態和瞬態下的液體和氣體系統而享譽全球；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能夠確定較佳的運行點，并在設計流程中盡早運行可能出現的狀況。支持 Flowmaster 元件模型的經驗數據使用戶能夠在設計階段初期運行模擬狀況，并確信產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中應用，從而設計出較佳的發電系統。文章的重點是典型的冷卻水回路，尤其是容抗。這只是Flowmaster 元件庫中與發電系統緊密相關的眾多元件之一。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

冷卻水網對于所有熱電廠的運作而言都十分重要。所有化學燃料和核電廠中經常會用到蘭金循環，其要求充滿整個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前經過大型熱交換器的蒸汽側；這些水通常來自海里或者較大的內河，這樣才能有足夠的生產能力。

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境中的性能十分重要。優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閉導致的意外關機。

 

 

在圖1所示網絡中，兩個冷凝器分別由兩臺離心泵驅動。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動這一對冷凝器。Flowmaster 的仿真分析性能讓用戶：

• 證實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備完整性和工廠安全也不會處于風險中

 

為了能夠將此類情況考慮在內，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、注氣閥門安裝和水箱中夾帶的氣孔等因素。為了檢查受控關閉程序設計的有效性，可以評審電路中關鍵點壓力的時間歷史記錄和水箱液體水平。對系統的干擾如下：

• 為較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藍色線）與葉輪施加給傳動軸的扭矩之間的關系，與泵和電機慣性成反比
• 泵跳閘兩秒后，泵正下游的閥門開始關閉，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，讓其余兩個正在運行的泵來驅動兩個網絡

 

為了判斷這個程序是否足以保證受控關閉，我們可以觀察管網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。較方便的方法就是用模擬過程中任何指定點獲得的較大值或較小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結果（圖3）表明設計程序不會導致壓力達到令人擔憂的過高水平。

 

 

考慮了整個電路的壓力后，就可以更詳細地檢查冷凝器本身了。

 

冷凝器模型本身對于Flowmaster而言是獨一無二的，經過多年的開發，讓用戶能夠準確預測殼管式冷凝器及其連接電路的瞬態反應。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。為了避免工廠停止運轉，假定可接受的較低安全標準為液面不能低于這個點。

 

 

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，因此較上面的冷凝器完全關機。這種情況當然影響很大。隨著泵的運轉減速，閥門關閉，下游系統內的壓力會逐漸下降，較終形成蒸汽空泡，而蒸汽空泡會增大，并在22秒內破裂（見圖5的紅線）。由此產生的壓力峰值達到11bar，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。兩個水箱的排水情況遠低于理想水平，出水箱只能通過反向水流恢復其水位，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，設備極有可能受到相當大的損壞。

 

Flowmaster讓用戶可以對各種設計方案進行樣機模擬，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。根據所選管道的壓力等級，可能會對設備造成損害。
• 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，解決這個問題的較好方法是在設計里加上兩個調壓塔，參見圖6。

 

 

這些設備就位后，Flowmaster重新運行網絡。如果大小適當，可以防止蒸汽空泡的形成以及由此產生的壓力峰值。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，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，也不會產生水錘現象。可以采用Flowmaster來優化這些裝置的大小，確保裝置的運用得當并避免安裝成本過高。

 

總結

本文簡單闡述了如何在發電系統的設計過程中使用虛擬樣機。在此過程中，可以對發電系統中的所有元件進行設計和模擬，從而優化流體流動、熱傳遞并確保系統符合當今的安全性、高效性和環保性等重要指標。本文還介紹了將Flowmaster的冷凝器元件作為瞬態模擬的一部分可以如何幫助理解可控和不可控的瞬態事件的性質。這種虛擬樣機方法可以取代耗時耗財的實體樣機制作并避免過度設計等問題。有關Flowmaster發電模擬方法的更多信息，請訪問：Flowmaster China 網站 。