发电系统设计中虚拟样机的使用

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。