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发电系统设计中虚拟样机的使用 |
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作者：明导机械分析部门 John Murray |
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随着全球能源消耗的显著提升，公众对于我们 电网的性质和范围也越发关注。对燃料供给安全、工厂安全和排放以及气候变化等问题的关注意味着能源政策已经成为公众热议的主题。在这种环境下，当代电厂以及下一代电厂的设计、建造和运作人员手头拥有一切必要的工具， 用以展示他们已经使电厂达到和超过预期的效率、安全和排放目标。
一个新系统或重新设计系统的设计内容来自多个方面：以往的经历和工程经验将有助于开始流程，不变的计算规则将带来更详细的设备规模信息。但为了高效地设计 电厂，使之在正常运作或出现计划中或意外关机时都能安全工作，清楚地了解系统瞬态反应特性是很有必要的。
明导的Flowmaster以能够模拟稳态和瞬态下的液体和气体系统而享誉全球；它利用了详细的元件模型和强大的解决方案 。在Flowmaster中建立系统的虚拟样机使用户能够确定最佳的运行点，并在设计流程中尽早运行可能出现的状况。支持Flowmaster元件模型的经验数据使用户能够在设计阶段初期运行模拟状况，并确信产生的结果是正确且有用的。
本文将论述这种方法如何在行业中应用，从而设计出最佳的发电系统。文章的重点是典型的冷却水回路，尤其是容抗。这只是Flowmaster元件库中与发电系统紧密相关的众多元件之一。其它应用包括但不限于： 阻尼、热交换器、疏水器和涡轮机。
示例：冷却水冷凝回路
冷却水网对于所有热电厂的运作而言都十分重要。所有 化学燃料和核电厂中经常会用到兰金循环，其要求充满整个涡轮机的蒸汽在回到熔炉之前重新液化成水。这就需要大量的水在回到源点前经过大型热交换器 的蒸汽侧；这些水通常来自海里或者较大的内河，这样才能有足够的生产能力。
这些冷凝器是价格昂贵的重要元件，因此了解它们在所处环境中的性能十分重要。优化冷却水系统很重要，设计师有必要了解系统如何响应水泵跳闸或安全阀关闭导致的意外关机。
图1：冷却水网的Flowmaster原理图
在图1所示网络中，两个冷凝器分别由两 台离心泵驱动。一旦两个泵跳闸，一个中间控制阀将开启，从而让其余的泵来驱动这一对冷凝器。 Flowmaster的仿真分析性能让用户：
●证实设计程序足以保证安全运行
●判断该程序对电路性能的影响
●确立非托管型关闭的后果
●判断需要采取哪些措施来确保即使是在这种极端条件下设备完整性和工厂安全也不会处于风险中
为了能够将此类情况考虑在内，Flowmaster 包含详细的冷却水冷凝器模型，从而能够了解水箱几何尺寸、注气阀门安装和水箱中夹带的气孔等因素。为了检查受控关闭程序设计的有效性，可以评审电路中关键点压力的时间历史记录和水箱液体水平。对系统的干扰如下：
●为最上面的冷凝器提供动力的两个泵跳闸。注意泵的速度变化率（图2蓝色线）与叶轮施加给传动轴的扭矩之间的关系，与泵和电机惯性成反比
●泵跳闸两秒后，泵正下游的阀门开始关闭，以防止回流带来的任何损害
●与此同时，连接两个电路的阀门开始打开，让其余两个正在运行的泵来驱动两个网络
图2：意外关闭情况
为了判断这个程序是否足以保证受控关闭，我们可以观察管网中是否有压力峰值或蒸汽空泡形成。此外，我们可以判定水箱水平是否受到影响。最方便的方法就是用模拟过程中任何指定点获得的最大值或最小值注释Flowmaster原理图。输出结果（图3）表明设计程序不会导致压力达到令人担忧的过高水平。
图3：有节点压力偏离额定值的Flowmaster模拟结果
考虑了整个电路的压力后，就可以更详细地检查冷凝器本身了。
图4：模型原理图
冷凝器模型本身对于Flowmaster而言是独一无二的，经过多年的开发，让用户能够准确预测壳管式冷凝器及其连接电路的瞬态反应。它让用户能够考虑水箱水平、流速和压力的变化，以及安装注气的影响。这种特殊模型并不是为了描述传热，但是却可以用其它Flowmaster热交换器元件做到。
在这个模型中，冷凝器的结构为：水箱高2.6米，安装在基准水位以上3.7米处。管束延伸至水箱顶部以下0.35米处。为了避免工厂停止运转，假定可接受的最低安全标准为液面不能低于这个点。
图5 ：电路故障的模拟结果
在模拟过程中，两个泵如之前一样跳闸， 而且连接两个电路的阀门无法打开，因此最上面的冷凝器完全关机。这种情况当然影响很大。随着泵的运转减速，阀门关闭，下游系统内的压力会逐渐下降，最终形成蒸汽空泡，而蒸汽空泡会增大，并在22秒内破裂（见图5的红线）。由此产生的压力峰值达到11 bar，远高于正常工作压力。蒸汽空泡增大、 再次破裂，由此导致的压力峰值是一种典型的水锤现象。这对冷凝器的影响同样很大。两个水箱的排水情况远低于理想水平，出水箱只能通过反向水流恢复其水位，例如之前通过管束的水流被“吸”回到冷凝器里并通过管子回流。在这种情况下，如果不采取措施，设备极有可能受到相当大的损坏。
Flowmaster让用户可以对各种设计方案进行样机模拟，从向冷凝器本身注气到调压水箱和贮气袋等系统的其它装置。该模拟过程指出两大需要解决的问题：
●蒸汽空泡在泵的正下游形成和破裂。根据所选管道的压力等级，可能会对设备造成损害。
●水箱水位降低，元件内部形成大量蒸汽空泡。极有可能对设备造成损害。
这两种现象的时间历史记录表明，早在冷凝器的运作受到干扰之前，管道里的蒸汽空泡就已形成，解决这个问题的最好方法是在设计里加上两个调压塔，参见图6。
图6：两个调压塔置于泵的正下游
这些设备就位后，Flowmaster重新运行网络。如果大小适当，可以防止蒸汽空泡的形成以及由此产生的压力峰值。从这个位置的压力（图7）可以看出，确实可以解决问题。虽然在很短的一段时间内，压力不能降低到略低于大气压的水平，但不会形成蒸汽空泡，也不会产生水锤现象。可以采用 Flowmaster来优化这些装置的大小，确保装置的运用得当并避免安装成本过高。
图7：添加两个调压塔解决了水锤和蒸汽空泡的问题
总结
本文简单阐述了如何在发电系统的设计过程中使用虚拟样机。在此过程中，可以对发电系统中的所有元件进行设计和模拟，从而优化流体流动、热传递并确保系统符合当今的安全性、高效性和环保性等重要指标。本文还介绍了将Flowmaster的冷凝器元件作为瞬态模拟的一部分可以如何帮助理解可控和不可控的瞬态事件的性质。这种虚拟样机方法可以取代耗时耗财的实体样机制作并避免过度设计等问题。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/28/2014) |
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