上海2014年1月3日電 /美通社/ -- 電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《通過虛擬樣機優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)》的研究報告。中文版的報告全文可在 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(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，當代電廠以及下一代電廠的設(shè)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)使電廠達到和超過預期的效率、安全和排放目標。
一個新系統(tǒng)或重新設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容來自多個方面：以往的經(jīng)歷和工程經(jīng)驗將有助于開始流程，不變的計算規(guī)則將帶來更詳細的設(shè)備規(guī)模信息。但為了高效地設(shè)計電廠，使之在正常運作或出現(xiàn)計劃中或意外關(guān)機時都能安全工作，清楚地了解系統(tǒng)瞬態(tài)反應特性是很有必要的。
明導的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(tǒng)的虛擬樣機使用戶能夠確定較佳的運行點，并在設(shè)計流程中盡早運行可能出現(xiàn)的狀況。支持 Flowmaster 元件模型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)使用戶能夠在設(shè)計階段初期運行模擬狀況，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)中應用，從而設(shè)計出較佳的發(fā)電系統(tǒng)。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(fā)電系統(tǒng)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)對于所有熱電廠的運作而言都十分重要。所有化學燃料和核電廠中經(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(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)計師有必要了解系統(tǒng)如何響應水泵跳閘或安全閥關(guān)閉導致的意外關(guān)機。
在圖1所示網(wǎng)絡中，兩個冷凝器分別由兩臺離心泵驅(qū)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(qū)動這一對冷凝器。Flowmaster 的仿真分析性能讓用戶：
為了能夠?qū)⒋祟惽闆r考慮在內(nèi)，F(xiàn)lowmaster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(guān)閉程序設(shè)計的有效性，可以評審電路中關(guān)鍵點壓力的時間歷史記錄和水箱液體水平。對系統(tǒng)的干擾如下：
為了判斷這個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。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最小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結(jié)果（圖3）表明設(shè)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(jīng)過多年的開發(fā)，讓用戶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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，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，因此最上面的冷凝器完全關(guān)機。這種情況當然影響很大。隨著泵的運轉(zhuǎn)減速，閥門關(guān)閉，下游系統(tǒng)內(nèi)的壓力會逐漸下降，最終形成蒸汽空泡，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(xiàn)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(shè)備極有可能受到相當大的損壞。
Flowmaster讓用戶可以對各種設(shè)計方案進行樣機模擬，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：
這兩種現(xiàn)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(shè)計里加上兩個調(diào)壓塔，參見圖6。
這些設(shè)備就位后，F(xiàn)lowmaster重新運行網(wǎng)絡。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(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，確保裝置的運用得當并避免安裝成本過高。
總結(jié)
本文簡單闡述了如何在發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計過程中使用虛擬樣機。在此過程中，可以對發(fā)電系統(tǒng)中的所有元件進行設(shè)計和模擬，從而優(yōu)化流體流動、熱傳遞并確保系統(tǒng)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耗財?shù)膶嶓w樣機制作并避免過度設(shè)計等問題。有關(guān)Flowmaster發(fā)電模擬方法的更多信息，請訪問：Flowmaster China 網(wǎng)站。
