基于Web的凝汽器熱力特性虛擬實驗設(shè)計

林書婷 黃燕生 王恩營 徐博

收稿日期：2024-01-07

基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2021KY1314）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.036

摘? 要：基于Web的凝汽器熱力特性虛擬實驗，以某660 MW超超臨界機組的凝汽器系統(tǒng)為原型，采用兩相流仿真模型作為虛擬實驗底層計算模型，準(zhǔn)確模擬凝汽器系統(tǒng)的參數(shù)變化和熱力過程的動態(tài)特性，直觀形象地展示了凝汽器的特性曲線，填補了學(xué)生脫離實物設(shè)備無法實驗的空白。該虛擬實驗改變了實驗教學(xué)方式，改善了教學(xué)效果；培養(yǎng)了學(xué)生對凝汽器系統(tǒng)的認(rèn)識和理解能力，提高了學(xué)生的工程實踐能力以及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；兩相流仿真模型；凝汽器系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9；G642? ? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0167-06

Design of the Virtual Experiment for Condenser Thermodynamic Characteristics Based on Web

LIN Shuting1， HUANG Yansheng1， WANG Enying2， XU Bo2

（1.Guangxi Electrical Polytechnic Institute， Nanning? 530299， China;

2.Bernouly （Beijing） Simulation Technology Co.， Ltd.， Beijing? 100085， China）

Abstract： The virtual experiment of condenser thermodynamic characteristics based on Web， takes the condenser system of a 660 MW ultra-supercritical unit as the prototype and the two-phase flow simulation model as the underlying calculation model of the virtual experiment， accurately simulates the parameter changes of condenser system and the dynamic characteristics of thermodynamic process. It shows the characteristic curve of the condenser visually， and fills the blank that students cannot experiment without physical equipment. This virtual experiment changes the experimental teaching method and improves the teaching effect. It cultivates students' understanding ability of the condenser system and improves their engineering practice and innovation abilities.

Keywords： virtual experiment; two-phase flow simulation model; condenser system

0? 引? 言

凝汽器作為發(fā)電廠熱力循環(huán)的冷源，其壓力的高低直接影響發(fā)電廠的經(jīng)濟性，熱力特性曲線則可以指導(dǎo)運行人員確定汽輪機最安全、經(jīng)濟的運行方式。但是，凝汽器的熱力特性是由多種因素共同決定的，對于高職院校熱能動力類專業(yè)學(xué)生來說，由于缺乏必要的生產(chǎn)實踐和理論基礎(chǔ)，很難理解各種參數(shù)變化對凝汽器運行特性的影響。

為此，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院開發(fā)了一種表面式凝汽器熱力特性實驗平臺，學(xué)生可以直觀地觀察學(xué)習(xí)凝汽器系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理，并開發(fā)了數(shù)據(jù)采集及凝汽器特性計算軟件，在實驗過程中，可以很好地展示凝汽器的運行特性。該實驗平臺已應(yīng)用于“汽輪機設(shè)備”“熱力發(fā)電廠”等課程教學(xué)，有效地提高了學(xué)生對凝汽器系統(tǒng)工作原理、參數(shù)監(jiān)視與運行調(diào)整方法的理解。然而，實體實驗裝置和發(fā)電廠的凝汽器設(shè)備有巨大區(qū)別，且存在諸多缺點：

1）實驗成本較高，需要大量用電、用水。

2）存在一定的安全風(fēng)險，實驗過程中涉及電、高溫蒸汽、熱水等。

3）設(shè)備、場地受到限制，能夠同時參與實驗的學(xué)生較少，每次僅能接納3～5名學(xué)生參與實驗，如果讓每個學(xué)生都參與實驗的話，需要多次重復(fù)，實驗成本難以承受。

為了貫徹《國家職業(yè)教育改革實施方案》，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展需求，運用虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)改進教學(xué)方式方法，拓展教學(xué)資源，提升專業(yè)課程的實訓(xùn)教學(xué)效果，提出基于Web的專業(yè)課程虛擬實驗教學(xué)模式[1，2]。華中科技大學(xué)楊濤也進行了“汽輪機原理”課程虛擬仿真實驗教學(xué)探討[3，4]。胡長興、曾令艷等學(xué)者分別進行了熱工基礎(chǔ)、電站鍋爐、熱力發(fā)電廠等方面的虛擬實驗研究和課程教學(xué)探索[5-9]。博努力公司利用電站仿真軟件的研發(fā)優(yōu)勢，設(shè)計了基于Web的虛擬實驗平臺VSEP（Virtual Simulation Experiment Platform），為熱動專業(yè)的課程實驗教學(xué)提供了方便。本文利用VSEP虛擬實驗平臺，以660 MW超超臨界機組的凝汽器系統(tǒng)為原型，設(shè)計了凝汽器熱力特性虛擬實驗。教學(xué)實踐證明，該虛擬實驗教學(xué)收到了良好的效果，受到學(xué)生的歡迎，滿足當(dāng)前教學(xué)改革要求。

1? 虛擬實驗平臺VSEP簡介

VSEP虛擬實驗平臺依托博努力公司所開發(fā)的多學(xué)科仿真平臺MSP（Multi-subject Simulation Platform， MSP）及電站仿真系統(tǒng)軟件，利用已開發(fā)的兩相流算法模塊，建立系統(tǒng)仿真模型，準(zhǔn)確模擬熱力過程的動態(tài)特性，真實反映系統(tǒng)參數(shù)變化，提高學(xué)生對熱力系統(tǒng)的認(rèn)識。VSEP虛擬仿真實驗平臺具有以下特點：

1）利用MSP的控制命令來實現(xiàn)虛擬實驗軟件的運行與操作，大大方便了虛擬實驗的控制與管理。

2）利用圖形化建模工具構(gòu)建虛擬實驗的底層計算模型，準(zhǔn)確計算實驗操作對實驗結(jié)果的影響。以發(fā)電機組仿真模型為基礎(chǔ)，開發(fā)凝汽器系統(tǒng)虛擬實驗，使課程實驗貼近實際生產(chǎn)過程，提高學(xué)生對職業(yè)崗位的認(rèn)識。

3）VSEP基于HTML5技術(shù)開發(fā)，不需要安裝形形色色插件就能播放視頻、語音和動畫等。Web化的實驗界面支持絕大部分的瀏覽器，包括Firefox、IE、Chrome、Safari、Opera；以及360、搜狗、QQ、獵豹瀏覽器等。

4）VSEP具有良好的交互性，人機交互可貫穿實驗設(shè)計、實驗操作的整個過程，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、設(shè)計和創(chuàng)新能力。

5）VSEP開發(fā)有系統(tǒng)登錄、實驗界面管理以及虛擬實驗管理系統(tǒng)。

6）VSEP借鑒仿真系統(tǒng)的考評功能，設(shè)計了虛擬實驗的自動考評功能。

2? 凝汽器虛擬實驗設(shè)計

2.1? 設(shè)計說明

本實驗以某660 MW超超臨界機組的凝汽器系統(tǒng)為參考對象，循環(huán)水、凝結(jié)水、真空系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)及操作與實際機組的完全一致。讓學(xué)生真正了解凝汽器系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備布置，以及設(shè)備參數(shù)與性能。

通過對實際機組凝汽器系統(tǒng)的分析，選擇生產(chǎn)系統(tǒng)的邊界或弱耦合點作為虛擬實驗系統(tǒng)的邊界。以實際機組的相關(guān)系統(tǒng)的操作畫面為基礎(chǔ)，設(shè)計虛擬實驗的操作界面，點擊相關(guān)圖標(biāo)或按鈕可以展示重要設(shè)備的工作原理、三維設(shè)備結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)凝汽器系統(tǒng)。

2.2? 實驗?zāi)康?/p>

1）熟悉火力發(fā)電廠凝汽器熱力系統(tǒng)的組成及工作過程。

2）熟悉火力發(fā)電廠真空、凝結(jié)水、循環(huán)水系統(tǒng)的組成及主要設(shè)備特性、工作原理。

3）加深理解凝汽器真空形成原理及維持真空的方法。

4）掌握凝汽器的熱力特性及其性能曲線。

5）熟悉影響凝汽器特性的因素。

2.3? 實驗原理

在理想情況下，凝汽器內(nèi)只有蒸汽沒有其他氣體，汽側(cè)各處的壓力是相同的，蒸汽則在汽側(cè)壓力相對應(yīng)的飽和溫度下進行等壓凝結(jié)。若冷卻水量和冷卻面積均為無限大，蒸汽與冷卻水之間的傳熱端差等于零，則凝汽器內(nèi)的壓力就等于冷卻水溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力。然而，由于冷卻水量和冷卻面積不可能為無限大，且傳熱必然存在一定溫差，所以蒸汽凝結(jié)溫度要高于冷卻水的溫度，因此實際凝汽壓力總是高于這一理想壓力。因此，在主凝結(jié)區(qū)，凝汽器總壓力基本等于蒸汽分壓力，可由相對應(yīng)的飽和溫度來確定，而飽和溫度則需根據(jù)蒸汽與冷卻水的傳熱溫度曲線確定。

2.3.1? 凝結(jié)放熱系數(shù)

考慮空氣對凝結(jié)放熱系數(shù)的影響，實際凝結(jié)放熱系數(shù)為：

（1）

其中，αn表示實際凝結(jié)放熱系數(shù)，ζk表示凝汽器內(nèi)空氣含量的局部影響系數(shù)。Kkg可由有關(guān)資料整理得到：

其中，Mkq表示凝汽器內(nèi)的空氣量Mzq表示凝汽器內(nèi)的蒸汽量。

表示純凝結(jié)放熱系數(shù)：

，

其中，d2表示銅管外徑；ts表示蒸汽飽和溫度；tcm1表示銅管外壁溫。

2.3.2? 管壁的傳熱系數(shù)

由熱傳導(dǎo)公式可得：

（2）

其中，αc表示管壁導(dǎo)熱系數(shù)；d1，d0表示結(jié)垢前、后的銅管內(nèi)徑；λ1表示銅管導(dǎo)熱系數(shù)；λ2表示污垢導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3.3? 對流放熱系數(shù)

對流放熱系數(shù)為：

（3）

其中，αd表示對流放熱系數(shù)；w表示管內(nèi)水流的實際流量；w0表示額定工況下管內(nèi)水流的流量；kd表示系數(shù)。

2.3.4? 基本方程

汽側(cè)總質(zhì)量平衡方程為：

（4）

其中，V表示凝汽器總?cè)莘e；Dck表示凝汽器的進汽量；D表示凝汽器的總凝結(jié)量；ρ1表示飽和汽密度。

對于多殼體并聯(lián)的凝汽器的每一殼體水側(cè)熱量平衡：

（5）

其中，m1表示銅管內(nèi)的儲水量；G1表示冷卻水流量；cp表示冷卻水比熱容；t1，t2表示冷卻水進、出口水量；Qw表示管側(cè)對流換熱量。

水側(cè)對流換熱方程：

（6）

其中，S0表示銅管的內(nèi)表面積；tcm0表示銅管的內(nèi)壁溫。

由式（6），并利用管壁的導(dǎo)熱公式：

其中，S為銅管平均表面積，金屬平均壁溫為：

可得到銅管內(nèi)、外壁溫的表達式：

（7）

（8）

汽側(cè)放熱量方程式為：

（9）

其中，H1表示凝汽器進汽焓值；H0表示飽和汽焓值；cp表示定壓比熱容。

由上式及汽側(cè)凝結(jié)放熱公式Qs = αnS1（ts-tcm1）得凝汽器內(nèi)飽和溫度ts的表達式：

（10）

其中，S1表式銅管外表面積。另外，還有蒸汽的熱力性質(zhì)函數(shù)：

（11）

（12）

汽側(cè)蒸汽凝結(jié)量的表達式可近似地利用質(zhì)量平衡方程式的歐拉積分表達式的改變形式，即：

（13）

其中，Δτ表示計算時間步長； 表示上一時刻的飽和汽密度。

2.3.5? 凝汽器壓力的動態(tài)計算

凝汽器內(nèi)空氣質(zhì)量平衡方程為：

（14）

其中，ρkq表示凝汽器內(nèi)空氣密度；Gkr表示系統(tǒng)漏氣量；Gkc表示空氣抽出量。

凝汽器內(nèi)空氣量為mkq = Vρkq，蒸汽量為mzq = Vρ1。當(dāng)凝汽器內(nèi)壓力較低時，可將理想氣體的特性方程式應(yīng)用于飽和蒸汽，則得：

（15）

從而得空氣的分壓力：

（16）

蒸汽的飽和壓力可由熱力性質(zhì)得到：

（17）

由道爾頓定律，則凝汽器的壓力為：

（18）

凝汽器的汽阻為：

（19）

2.4? 實驗系統(tǒng)布置

本凝汽器熱力特性虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計布置如圖1所示。實驗界面的凝汽器、汽輪機以三維立體圖形展示，通過右鍵可以展示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對凝汽器、汽輪機結(jié)構(gòu)有深入的認(rèn)識。在實驗界面上，可以鏈接圖2、圖3、圖4，查看與凝汽器系統(tǒng)密切相關(guān)的真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)的操作界面。這些操作界面與參考機組的DCS操作界面完全一致。

圖1實驗界面的上部以彈窗的方式，展示實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、實驗分析、生成實驗報告等內(nèi)容。

圖1實驗界面的下部為實驗控制按鈕，如開始、暫停、結(jié)束按鈕。以及實驗曲線、數(shù)據(jù)采集等按鈕。

虛擬實驗裝置主要設(shè)備參數(shù)如下：

1）蒸汽源。在額定工況下，蒸汽源（凝汽器進汽參數(shù)）：壓力P = 0.01 MPa的飽和蒸汽。其飽和溫度為46.2 ℃，蒸汽焓值為2 206.93 kJ/kg。

2）凝汽器。凝汽器為表面式換熱器，換熱管的直徑為30 mm，壁厚0.5 mm，管長為9 750 mm，A側(cè)換熱面積為20 000 m2；B側(cè)換熱面積為20 000 m2，汽輪機排汽流量為1 035 t/h，排汽壓力為0.01 MPa，冷卻水流量為67 608 t/h。

3）水環(huán)式真空泵。參考機組配備了三臺100%的水環(huán)式真空泵，其主要技術(shù)數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)速為590 r/min，功率為132 kW，入口壓力3 390 Pa，入口流速為39 m3/min。

4）凝結(jié)水泵。本系統(tǒng)設(shè)置有2臺凝結(jié)水泵，其參數(shù)為設(shè)計流量：1 764.5 t/h，設(shè)計揚程：354 m；功率：2 020 kW，最小流量：350 t/h；必需汽蝕余量為5.5 m。

5）循環(huán)水泵。本系統(tǒng)配置兩臺循環(huán)水泵，其參數(shù)為單臺循環(huán)水泵流量：34 920 m3/s，泵的揚程：126.7 m，汽蝕余量：9.5 m，泵的電機功率為3 500 kW。

2.5? 實驗與結(jié)果分析

2.5.1? 實驗一

冷卻水入口水溫Tw1，冷卻水流量Dw，冷卻面積Aco不變時，凝汽器的壓力Pco與凝汽量Dco的關(guān)系。

實驗中設(shè)定循環(huán)冷卻水的入口水溫Tw1不變，冷卻水流量Dw不變，保持凝汽器的水位不變，抽真空系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)不變，將蒸汽閥門V1處于80%開度位置，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄蒸汽凝結(jié)流量、凝汽器的壓力。

依次改變V1的位置為70%、60%、50%、40%、30%、20%，待系統(tǒng)穩(wěn)定后分別記錄蒸汽凝結(jié)流量、凝汽器的壓力，如表1、圖5所示。

表1? 實驗一數(shù)據(jù)

蒸汽調(diào)閥開度/% 凝汽量/（t/h） 凝汽器壓力/kPa 蒸汽調(diào)閥開度/% 凝汽量/（t/h） 凝汽器壓力/kPa

80 1 042.57 8.99 40 875.77 7.62

70 1 024.15 8.84 30 773.95 6.77

60 994.71 8.61 20 607.24 5.44

50 947.80 8.23

圖5? 凝汽器壓力和凝汽量的關(guān)系

通過此實驗可以看出，在冷卻水入口水溫Tw1，冷卻水流量Dw，冷卻面積Aco不變時，凝汽器的壓力Pco隨凝汽量Dco的增加而升高。

2.5.2? 實驗二

凝汽量Dco、冷卻面積Aco、冷卻水量Dw不變時，凝汽器壓力Pco與冷卻水水溫Tw1的關(guān)系。

實驗中設(shè)定蒸汽閥門V1的開度為80%，并在實驗中保持不變，保持冷卻水流量Dw（如10 000 kg/s）不變，保持凝汽器的水位不變，抽真空系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)不變，將冷卻水進口水溫設(shè)定為10 ℃，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄冷卻水進口水溫、凝汽器的壓力。

依次改變冷卻水進口溫度為12、14、16、18、20、22、24、26、28、30 ℃，待系統(tǒng)穩(wěn)定后分別記錄冷卻水進口水溫、凝汽器的壓力，如表2、圖6所示。

通過此實驗可以看出，在凝汽量Dco、冷卻面積Aco、冷卻水量Dw不變時，凝汽器的壓力P隨冷卻水入口水溫Tw1的升高而增加。

表2? 實驗二數(shù)據(jù)

循環(huán)水入口溫度/ ℃ 循環(huán)水出口溫度/ ℃ 凝汽器壓力/ kPa

10 17.75 5.20

12 19.54 5.89

14 21.59 6.61

16 23.69 7.39

18 25.62 8.16

20 27.54 8.97

22 29.47 9.84

24 31.55 10.92

26 33.29 11.68

28 35.31 12.94

30 37.46 14.42

圖6? 凝汽器壓力和循環(huán)水入口溫度的關(guān)系

2.5.3? 實驗三

凝汽量Dco，冷卻水入口水溫Tw1，冷卻面積Aco不變時，凝汽器壓力Pco與冷卻水量Dw的關(guān)系。

實驗中設(shè)定蒸汽閥門V1的開度為80%，并在實驗中保持不變，保持冷卻水入口溫度Tw1（如20 ℃）不變，保持凝汽器的水位不變，抽真空系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)不變，將冷卻水進口閥設(shè)定為100%，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄冷卻水流量、凝汽器的壓力。

依次改變冷卻水進口閥門開度為90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%，待系統(tǒng)穩(wěn)定后分別記錄冷卻水進口流量、凝汽器的壓力，如表3、圖7所示。

通過此實驗可以看出，在凝汽量Dco，冷卻水入口水溫Tw1，冷卻面積Aco不變時，凝汽器的壓力P隨冷卻水進口流量的增加而降低。

表3? 實驗三數(shù)據(jù)

循環(huán)水量/（t/h） 循環(huán)水出口溫度/ ℃ 凝汽器壓力/ kPa

66 054.84 27.64 8.99

64 518.86 27.82 9.13

61 502.85 28.19 9.42

56 149.17 28.95 10.06

48 077.07 30.35 11.30

38 204.84 32.85 13.76

28 435.43 36.39 17.71

20 228.75 41.93 25.65

圖7? 凝汽器壓力和循環(huán)水量的關(guān)系

3? 結(jié)? 論

基于Web的凝汽器熱力特性虛擬實驗，以實際運行機組的凝汽器系統(tǒng)為對象，完全采用實際系統(tǒng)的設(shè)備及控制方案，以高精度的兩相流模型為虛擬實驗底層計算，準(zhǔn)確模擬凝汽器系統(tǒng)的參數(shù)變化，真實反映熱力過程的動態(tài)特性，填補了學(xué)生脫離實物設(shè)備無法實驗的空白；從預(yù)習(xí)、課堂講解到實驗操作，提升了學(xué)生的實驗積極性和創(chuàng)造性；培養(yǎng)學(xué)生利用實驗數(shù)據(jù)歸納總結(jié)實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果的能力，提高學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解和掌握。

本實驗已在我校的“汽輪機設(shè)備”課程中使用，效果良好，為熱動專業(yè)課程虛實結(jié)合實訓(xùn)項目的進一步開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡介：林書婷（1983—），女，漢族，廣西南寧人，副教授，工程碩士，研究方向：熱能動力設(shè)備運行與控制技術(shù)。