發電系統設計中虛擬樣機的使用

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最佳的運行點，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，從而設計出最佳的發電系統。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。

圖1：冷卻水網的Flowmaster原理圖

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：

●為最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

圖2：意外關閉情況

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。最方便的方法就是用模擬過程中任何指定點獲得的最大值或最小值注釋Flowmaster原理圖。輸出結果（圖3）表明設計程序不會導致壓力達到令人擔憂的過高水平。

圖3：有節點壓力偏離額定值的Flowmaster模擬結果

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。