發(fā)電系統設計中虛擬樣機的使用

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 。

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

●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。