发电系统设计中虚拟样机的使用

图4：模型原理图

冷凝器模型本身对于Flowmaster而言是独一无二的，经过多年的开发，让用户能够准确预测壳管式冷凝器及其连接电路的瞬态反应。它让用户能够考虑水箱水平、流速和压力的变化，以及安装注气的影响。这种特殊模型并不是为了描述传热，但是却可以用其它Flowmaster热交换器元件做到。

在这个模型中，冷凝器的结构为：水箱高2.6米，安装在基准水位以上3.7米处。管束延伸至水箱顶部以下0.35米处。为了避免工厂停止运转，假定可接受的最低安全标准为液面不能低于这个点。

图5 ：电路故障的模拟结果

在模拟过程中，两个泵如之前一样跳闸， 而且连接两个电路的阀门无法打开，因此最上面的冷凝器完全关机。这种情况当然影响很大。随着泵的运转减速，阀门关闭，下游系统内的压力会逐渐下降，最终形成蒸汽空泡，而蒸汽空泡会增大，并在22秒内破裂（见图5的红线）。由此产生的压力峰值达到11 bar，远高于正常工作压力。蒸汽空泡增大、 再次破裂，由此导致的压力峰值是一种典型的水锤现象。这对冷凝器的影响同样很大。两个水箱的排水情况远低于理想水平，出水箱只能通过反向水流恢复其水位，例如之前通过管束的水流被“吸”回到冷凝器里并通过管子回流。在这种情况下，如果不采取措施，设备极有可能受到相当大的损坏。

Flowmaster让用户可以对各种设计方案进行样机模拟，从向冷凝器本身注气到调压水箱和贮气袋等系统的其它装置。该模拟过程指出两大需要解决的问题：

●蒸汽空泡在泵的正下游形成和破裂。根据所选管道的压力等级，可能会对设备造成损害。

●水箱水位降低，元件内部形成大量蒸汽空泡。极有可能对设备造成损害。

这两种现象的时间历史记录表明，早在冷凝器的运作受到干扰之前，管道里的蒸汽空泡就已形成，解决这个问题的最好方法是在设计里加上两个调压塔，参见图6。

图6：两个调压塔置于泵的正下游

这些设备就位后，Flowmaster重新运行网络。如果大小适当，可以防止蒸汽空泡的形成以及由此产生的压力峰值。从这个位置的压力（图7）可以看出，确实可以解决问题。虽然在很短的一段时间内，压力不能降低到略低于大气压的水平，但不会形成蒸汽空泡，也不会产生水锤现象。可以采用 Flowmaster来优化这些装置的大小，确保装置的运用得当并避免安装成本过高。

图7：添加两个调压塔解决了水锤和蒸汽空泡的问题

总结

本文简单阐述了如何在发电系统的设计过程中使用虚拟样机。在此过程中，可以对发电系统中的所有元件进行设计和模拟，从而优化流体流动、热传递并确保系统符合当今的安全性、高效性和环保性等重要指标。本文还介绍了将Flowmaster的冷凝器元件作为瞬态模拟的一部分可以如何帮助理解可控和不可控的瞬态事件的性质。这种虚拟样机方法可以取代耗时耗财的实体样机制作并避免过度设计等问题。