明導(dǎo)：通過虛擬樣機(jī)優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)

電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《通過虛擬樣機(jī)優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)》的研究報(bào)告。中文版的報(bào)告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：[http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=233 ]。

作者：明導(dǎo)機(jī)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(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(jì)、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)。

一個(gè)新系統(tǒng)或重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容來自多個(gè)方面：以往的經(jīng)歷和工程經(jīng)驗(yàn)將有助于開始流程，不變的計(jì)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(jì)電廠，使之在正常運(yùn)作或出現(xiàn)計(jì)劃中或意外關(guān)機(jī)時(shí)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)使用戶能夠確定較佳的運(yùn)行點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)使用戶能夠在設(shè)計(jì)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(jì)出較佳的發(fā)電系統(tǒng)。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(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(gè)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(diǎn)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(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(tǒng)很重要，設(shè)計(jì)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(gè)冷凝器分別由兩臺離心泵驅(qū)動。一旦兩個(gè)泵跳閘，一個(gè)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(shí)設(shè)計(jì)程序足以保證安全運(yùn)行
• 判斷該程序?qū)﹄娐沸阅艿挠绊?/li>
• 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(xiǎn)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(jì)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(tǒng)的干擾如下：

• 為較上面的冷凝器提供動力的兩個(gè)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
• 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(shí)，連接兩個(gè)電路的閥門開始打開，讓其余兩個(gè)正在運(yùn)行的泵來驅(qū)動兩個(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。較方便的方法就是用模擬過程中任何指定點(diǎn)獲得的較大值或較小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結(jié)果（圖3）表明設(shè)計(jì)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(diǎn)壓力偏離額定值的 Flowmaster 模擬結(jié)果

考慮了整個(gè)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(dú)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(gè)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)，假定可接受的較低安全標(biāo)準(zhǔn)為液面不能低于這個(gè)點(diǎn)。

 
圖5 ：電路故障的模擬結(jié)果

在模擬過程中，兩個(gè)泵如之前一樣跳閘，而且連接兩個(gè)電路的閥門無法打開，因此較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，較終形成蒸汽空泡，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11bar，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(gè)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(jì)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(shí)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(gè)問題的較好方法是在設(shè)計(jì)里加上兩個(gè)調(diào)壓塔，參見圖6。

 
圖6：兩個(gè)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(gè)位置的壓力（圖7）可以看出，確實(shí)可以解決問題。雖然在很短的一段時(shí)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�？梢圆捎肍lowmaster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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)耗財(cái)?shù)膶?shí)體樣機(jī)制作并避免過度設(shè)計(jì)等問題。有關(guān)Flowmaster發(fā)電模擬方法的更多信息，請?jiān)L問：Flowmaster China 網(wǎng)站 。

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