基于Web的凝汽器熱力特性虛擬實驗設計

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，準確模擬凝汽器系統的參數變化和熱力過程的動態特性，直觀形象地展示了凝汽器的特性曲線，填補了學生脫離實物設備無法實驗的空白。該虛擬實驗改變了實驗教學方式，改善了教學效果；培養了學生對凝汽器系統的認識和理解能力，提高了學生的工程實踐能力以及創新能力。

關鍵詞：虛擬實驗；兩相流仿真模型；凝汽器系統

中圖分類號：TP391.9；G642? ? 文獻標識碼：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

凝汽器作為發電廠熱力循環的冷源，其壓力的高低直接影響發電廠的經濟性，熱力特性曲線則可以指導運行人員確定汽輪機最安全、經濟的運行方式。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學生來說，由于缺乏必要的生產實踐和理論基礎，很難理解各種參數變化對凝汽器運行特性的影響。

為此，廣西電力職業技術學院開發了一種表面式凝汽器熱力特性實驗平臺，學生可以直觀地觀察學習凝汽器系統的構成、工作原理，并開發了數據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。該實驗平臺已應用于“汽輪機設備”“熱力發電廠”等課程教學，有效地提高了學生對凝汽器系統工作原理、參數監視與運行調整方法的理解。然而，實體實驗裝置和發電廠的凝汽器設備有巨大區別，且存在諸多缺點：

1）實驗成本較高，需要大量用電、用水。

2）存在一定的安全風險，實驗過程中涉及電、高溫蒸汽、熱水等。

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

為了貫徹《國家職業教育改革實施方案》，適應“互聯網+職業教育”發展需求，運用虛擬現實等信息技術改進教學方式方法，拓展教學資源，提升專業課程的實訓教學效果，提出基于Web的專業課程虛擬實驗教學模式[1，2]。華中科技大學楊濤也進行了“汽輪機原理”課程虛擬仿真實驗教學探討[3，4]。胡長興、曾令艷等學者分別進行了熱工基礎、電站鍋爐、熱力發電廠等方面的虛擬實驗研究和課程教學探索[5-9]。博努力公司利用電站仿真軟件的研發優勢，設計了基于Web的虛擬實驗平臺VSEP（Virtual Simulation Experiment Platform），為熱動專業的課程實驗教學提供了方便。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為原型，設計了凝汽器熱力特性虛擬實驗。教學實踐證明，該虛擬實驗教學收到了良好的效果，受到學生的歡迎，滿足當前教學改革要求。

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的多學科仿真平臺MSP（Multi-subject Simulation Platform， MSP）及電站仿真系統軟件，利用已開發的兩相流算法模塊，建立系統仿真模型，準確模擬熱力過程的動態特性，真實反映系統參數變化，提高學生對熱力系統的認識。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建虛擬實驗的底層計算模型，準確計算實驗操作對實驗結果的影響。以發電機組仿真模型為基礎，開發凝汽器系統虛擬實驗，使課程實驗貼近實際生產過程，提高學生對職業崗位的認識。

3）VSEP基于HTML5技術開發，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計、實驗操作的整個過程，很好地培養了學生的動手能力、設計和創新能力。

5）VSEP開發有系統登錄、實驗界面管理以及虛擬實驗管理系統。

6）VSEP借鑒仿真系統的考評功能，設計了虛擬實驗的自動考評功能。

2? 凝汽器虛擬實驗設計

2.1? 設計說明

本實驗以某660 MW超超臨界機組的凝汽器系統為參考對象，循環水、凝結水、真空系統的設備參數及操作與實際機組的完全一致。讓學生真正了解凝汽器系統的工藝流程、設備布置，以及設備參數與性能。

通過對實際機組凝汽器系統的分析，選擇生產系統的邊界或弱耦合點作為虛擬實驗系統的邊界。以實際機組的相關系統的操作畫面為基礎，設計虛擬實驗的操作界面，點擊相關圖標或按鈕可以展示重要設備的工作原理、三維設備結構等內容，讓學生更好地學習凝汽器系統。

2.2? 實驗目的

1）熟悉火力發電廠凝汽器熱力系統的組成及工作過程。

2）熟悉火力發電廠真空、凝結水、循環水系統的組成及主要設備特性、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，凝汽器內只有蒸汽沒有其他氣體，汽側各處的壓力是相同的，蒸汽則在汽側壓力相對應的飽和溫度下進行等壓凝結。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，則凝汽器內的壓力就等于冷卻水溫度對應的飽和蒸汽壓力。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，在主凝結區，凝汽器總壓力基本等于蒸汽分壓力，可由相對應的飽和溫度來確定，而飽和溫度則需根據蒸汽與冷卻水的傳熱溫度曲線確定。

2.3.1? 凝結放熱系數

考慮空氣對凝結放熱系數的影響，實際凝結放熱系數為：

（1）

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

其中，Mkq表示凝汽器內的空氣量Mzq表示凝汽器內的蒸汽量。

表示純凝結放熱系數：

，

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

由熱傳導公式可得：

（2）

其中，αc表示管壁導熱系數；d1，d0表示結垢前、后的銅管內徑；λ1表示銅管導熱系數；λ2表示污垢導熱系數。

2.3.3? 對流放熱系數

對流放熱系數為：

（3）

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

2.3.4? 基本方程

汽側總質量平衡方程為：

（4）

其中，V表示凝汽器總容積；Dck表示凝汽器的進汽量；D表示凝汽器的總凝結量；ρ1表示飽和汽密度。

對于多殼體并聯的凝汽器的每一殼體水側熱量平衡：

（5）

其中，m1表示銅管內的儲水量；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表示管側對流換熱量。

水側對流換熱方程：

（6）

其中，S0表示銅管的內表面積；tcm0表示銅管的內壁溫。

由式（6），并利用管壁的導熱公式：

其中，S為銅管平均表面積，金屬平均壁溫為：

可得到銅管內、外壁溫的表達式：

（7）

（8）

汽側放熱量方程式為：

（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。

由上式及汽側凝結放熱公式Qs = αnS1（ts-tcm1）得凝汽器內飽和溫度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函數：

（11）

（12）

汽側蒸汽凝結量的表達式可近似地利用質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? 凝汽器壓力的動態計算

凝汽器內空氣質量平衡方程為：

（14）

其中，ρkq表示凝汽器內空氣密度；Gkr表示系統漏氣量；Gkc表示空氣抽出量。

凝汽器內空氣量為mkq = Vρkq，蒸汽量為mzq = Vρ1。當凝汽器內壓力較低時，可將理想氣體的特性方程式應用于飽和蒸汽，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? 實驗系統布置

本凝汽器熱力特性虛擬實驗系統設計布置如圖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備的內部結構，讓學生對凝汽器、汽輪機結構有深入的認識。在實驗界面上，可以鏈接圖2、圖3、圖4，查看與凝汽器系統密切相關的真空系統、循環水系統、凝結水系統的操作界面。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，展示實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗分析、生成實驗報告等內容。

圖1實驗界面的下部為實驗控制按鈕，如開始、暫停、結束按鈕。以及實驗曲線、數據采集等按鈕。

虛擬實驗裝置主要設備參數如下：

1）蒸汽源。在額定工況下，蒸汽源（凝汽器進汽參數）：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側換熱面積為20 000 m2；B側換熱面積為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）水環式真空泵。參考機組配備了三臺100%的水環式真空泵，其主要技術數據：轉速為590 r/min，功率為132 kW，入口壓力3 390 Pa，入口流速為39 m3/min。

4）凝結水泵。本系統設置有2臺凝結水泵，其參數為設計流量：1 764.5 t/h，設計揚程：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）循環水泵。本系統配置兩臺循環水泵，其參數為單臺循環水泵流量：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的關系。

實驗中設定循環冷卻水的入口水溫Tw1不變，冷卻水流量Dw不變，保持凝汽器的水位不變，抽真空系統各設備狀態不變，將蒸汽閥門V1處于80%開度位置，待系統穩定后記錄蒸汽凝結流量、凝汽器的壓力。

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

表1? 實驗一數據

蒸汽調閥開度/% 凝汽量/（t/h） 凝汽器壓力/kPa 蒸汽調閥開度/% 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的關系。

實驗中設定蒸汽閥門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，抽真空系統各設備狀態不變，將冷卻水進口水溫設定為10 ℃，待系統穩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 ℃，待系統穩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? 實驗二數據

循環水入口溫度/ ℃ 循環水出口溫度/ ℃ 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? 凝汽器壓力和循環水入口溫度的關系

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的關系。

實驗中設定蒸汽閥門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，抽真空系統各設備狀態不變，將冷卻水進口閥設定為100%，待系統穩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%，待系統穩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? 實驗三數據

循環水量/（t/h） 循環水出口溫度/ ℃ 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? 凝汽器壓力和循環水量的關系

3? 結? 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為對象，完全采用實際系統的設備及控制方案，以高精度的兩相流模型為虛擬實驗底層計算，準確模擬凝汽器系統的參數變化，真實反映熱力過程的動態特性，填補了學生脫離實物設備無法實驗的空白；從預習、課堂講解到實驗操作，提升了學生的實驗積極性和創造性；培養學生利用實驗數據歸納總結實驗現象、分析實驗結果的能力，提高學生對相關理論知識的理解和掌握。

本實驗已在我校的“汽輪機設備”課程中使用，效果良好，為熱動專業課程虛實結合實訓項目的進一步開發打下了良好的基礎。

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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：熱能動力設備運行與控制技術。