基于Web的凝汽器热力特性虚拟实验设计

林书婷 黄燕生 王恩营 徐博

收稿日期：2024-01-07

基金项目：2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY1314）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.036

摘  要：基于Web的凝汽器热力特性虚拟实验，以某660 MW超超临界机组的凝汽器系统为原型，采用两相流仿真模型作为虚拟实验底层计算模型，准确模拟凝汽器系统的参数变化和热力过程的动态特性，直观形象地展示了凝汽器的特性曲线，填补了学生脱离实物设备无法实验的空白。该虚拟实验改变了实验教学方式，改善了教学效果；培养了学生对凝汽器系统的认识和理解能力，提高了学生的工程实践能力以及创新能力。

关键词：虚拟实验；两相流仿真模型；凝汽器系统

中图分类号：TP391.9；G642    文献标识码：A  文章编号：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

凝汽器作為发电厂热力循环的冷源，其压力的高低直接影响发电厂的经济性，热力特性曲线则可以指导运行人员确定汽轮机最安全、经济的运行方式。但是，凝汽器的热力特性是由多种因素共同决定的，对于高职院校热能动力类专业学生来说，由于缺乏必要的生产实践和理论基础，很难理解各种参数变化对凝汽器运行特性的影响。

为此，广西电力职业技术学院开发了一种表面式凝汽器热力特性实验平台，学生可以直观地观察学习凝汽器系统的构成、工作原理，并开发了数据采集及凝汽器特性计算软件，在实验过程中，可以很好地展示凝汽器的运行特性。该实验平台已应用于“汽轮机设备”“热力发电厂”等课程教学，有效地提高了学生对凝汽器系统工作原理、参数监视与运行调整方法的理解。然而，实体实验装置和发电厂的凝汽器设备有巨大区别，且存在诸多缺点：

1）实验成本较高，需要大量用电、用水。

2）存在一定的安全风险，实验过程中涉及电、高温蒸汽、热水等。

3）设备、场地受到限制，能够同时参与实验的学生较少，每次仅能接纳3～5名学生参与实验，如果让每个学生都参与实验的话，需要多次重复，实验成本难以承受。

为了贯彻《国家职业教育改革实施方案》，适应“互联网+职业教育”发展需求，运用虚拟现实等信息技术改进教学方式方法，拓展教学资源，提升专业课程的实训教学效果，提出基于Web的专业课程虚拟实验教学模式[1，2]。华中科技大学杨涛也进行了“汽轮机原理”课程虚拟仿真实验教学探讨[3，4]。胡长兴、曾令艳等学者分别进行了热工基础、电站锅炉、热力发电厂等方面的虚拟实验研究和课程教学探索[5-9]。博努力公司利用电站仿真软件的研发优势，设计了基于Web的虚拟实验平台VSEP（Virtual Simulation Experiment Platform），为热动专业的课程实验教学提供了方便。本文利用VSEP虚拟实验平台，以660 MW超超临界机组的凝汽器系统为原型，设计了凝汽器热力特性虚拟实验。教学实践证明，该虚拟实验教学收到了良好的效果，受到学生的欢迎，满足当前教学改革要求。

1  虚拟实验平台VSEP简介

VSEP虚拟实验平台依托博努力公司所开发的多学科仿真平台MSP（Multi-subject Simulation Platform， MSP）及电站仿真系统软件，利用已开发的两相流算法模块，建立系统仿真模型，准确模拟热力过程的动态特性，真实反映系统参数变化，提高学生对热力系统的认识。VSEP虚拟仿真实验平台具有以下特点：

1）利用MSP的控制命令来实现虚拟实验软件的运行与操作，大大方便了虚拟实验的控制与管理。

2）利用图形化建模工具构建虚拟实验的底层计算模型，准确计算实验操作对实验结果的影响。以发电机组仿真模型为基础，开发凝汽器系统虚拟实验，使课程实验贴近实际生产过程，提高学生对职业岗位的认识。

3）VSEP基于HTML5技术开发，不需要安装形形色色插件就能播放视频、语音和动画等。Web化的实验界面支持绝大部分的浏览器，包括Firefox、IE、Chrome、Safari、Opera；以及360、搜狗、QQ、猎豹浏览器等。

4）VSEP具有良好的交互性，人机交互可贯穿实验设计、实验操作的整个过程，很好地培养了学生的动手能力、设计和创新能力。

5）VSEP开发有系统登录、实验界面管理以及虚拟实验管理系统。

6）VSEP借鉴仿真系统的考评功能，设计了虚拟实验的自动考评功能。

2  凝汽器虚拟实验设计

2.1  设计说明

本实验以某660 MW超超临界机组的凝汽器系统为参考对象，循环水、凝结水、真空系统的设备参数及操作与实际机组的完全一致。让学生真正了解凝汽器系统的工艺流程、设备布置，以及设备参数与性能。

通过对实际机组凝汽器系统的分析，选择生产系统的边界或弱耦合点作为虚拟实验系统的边界。以实际机组的相关系统的操作画面为基础，设计虚拟实验的操作界面，点击相关图标或按钮可以展示重要设备的工作原理、三维设备结构等内容，让学生更好地学习凝汽器系统。

2.2  实验目的

1）熟悉火力发电厂凝汽器热力系统的组成及工作过程。

2）熟悉火力发电厂真空、凝结水、循环水系统的组成及主要设备特性、工作原理。

3）加深理解凝汽器真空形成原理及维持真空的方法。

4）掌握凝汽器的热力特性及其性能曲线。

5）熟悉影响凝汽器特性的因素。

2.3  实验原理

在理想情况下，凝汽器内只有蒸汽没有其他气体，汽侧各处的压力是相同的，蒸汽则在汽侧压力相对应的饱和温度下进行等压凝结。若冷却水量和冷却面积均为无限大，蒸汽与冷却水之间的传热端差等于零，则凝汽器内的压力就等于冷却水温度对应的饱和蒸汽压力。然而，由于冷却水量和冷却面积不可能为无限大，且传热必然存在一定温差，所以蒸汽凝结温度要高于冷却水的温度，因此实际凝汽压力总是高于这一理想压力。因此，在主凝结区，凝汽器总压力基本等于蒸汽分压力，可由相对应的饱和温度来确定，而饱和温度则需根据蒸汽与冷却水的传热温度曲线确定。

2.3.1  凝结放热系数

考虑空气对凝结放熱系数的影响，实际凝结放热系数为：

（1）

其中，αn表示实际凝结放热系数，ζk表示凝汽器内空气含量的局部影响系数。Kkg可由有关资料整理得到：

其中，Mkq表示凝汽器内的空气量Mzq表示凝汽器内的蒸汽量。

表示纯凝结放热系数：

，

其中，d2表示铜管外径；ts表示蒸汽饱和温度；tcm1表示铜管外壁温。

2.3.2  管壁的传热系数

由热传导公式可得：

（2）

其中，αc表示管壁导热系数；d1，d0表示结垢前、后的铜管内径；λ1表示铜管导热系数；λ2表示污垢导热系数。

2.3.3  对流放热系数

对流放热系数为：

（3）

其中，αd表示对流放热系数；w表示管内水流的实际流量；w0表示额定工况下管内水流的流量；kd表示系数。

2.3.4  基本方程

汽侧总质量平衡方程为：

（4）

其中，V表示凝汽器总容积；Dck表示凝汽器的进汽量；D表示凝汽器的总凝结量；ρ1表示饱和汽密度。

对于多壳体并联的凝汽器的每一壳体水侧热量平衡：

（5）

其中，m1表示铜管内的储水量；G1表示冷却水流量；cp表示冷却水比热容；t1，t2表示冷却水进、出口水量；Qw表示管侧对流换热量。

水侧对流换热方程：

（6）

其中，S0表示铜管的内表面积；tcm0表示铜管的内壁温。

由式（6），并利用管壁的导热公式：

其中，S为铜管平均表面积，金属平均壁温为：

可得到铜管内、外壁温的表达式：

（7）

（8）

汽侧放热量方程式为：

（9）

其中，H1表示凝汽器进汽焓值；H0表示饱和汽焓值；cp表示定压比热容。

由上式及汽侧凝结放热公式Qs = αnS1（ts-tcm1）得凝汽器内饱和温度ts的表达式：

（10）

其中，S1表式铜管外表面积。另外，还有蒸汽的热力性质函数：

（11）

（12）

汽侧蒸汽凝结量的表达式可近似地利用质量平衡方程式的欧拉积分表达式的改变形式，即：

（13）

其中，Δτ表示计算时间步长； 表示上一时刻的饱和汽密度。

2.3.5  凝汽器压力的动态计算

凝汽器内空气质量平衡方程为：

（14）

其中，ρkq表示凝汽器内空气密度；Gkr表示系统漏气量；Gkc表示空气抽出量。

凝汽器内空气量为mkq = Vρkq，蒸汽量为mzq = Vρ1。当凝汽器内压力较低时，可将理想气体的特性方程式应用于饱和蒸汽，则得：

（15）

从而得空气的分压力：

（16）

蒸汽的饱和压力可由热力性质得到：

（17）

由道尔顿定律，则凝汽器的压力为：

（18）

凝汽器的汽阻为：

（19）

2.4  实验系统布置

本凝汽器热力特性虚拟实验系统设计布置如图1所示。实验界面的凝汽器、汽轮机以三维立体图形展示，通过右键可以展示设备的内部结构，让学生对凝汽器、汽轮机结构有深入的认识。在实验界面上，可以链接图2、图3、图4，查看与凝汽器系统密切相关的真空系统、循环水系统、凝结水系统的操作界面。这些操作界面与参考机组的DCS操作界面完全一致。

图1实验界面的上部以弹窗的方式，展示实验目的、实验原理、实验步骤、实验分析、生成实验报告等内容。

图1实验界面的下部为实验控制按钮，如开始、暂停、结束按钮。以及实验曲线、数据采集等按钮。

虚拟实验装置主要设备参数如下：

1）蒸汽源。在额定工况下，蒸汽源（凝汽器进汽参数）：压力P = 0.01 MPa的饱和蒸汽。其饱和温度为46.2 ℃，蒸汽焓值为2 206.93 kJ/kg。

2）凝汽器。凝汽器为表面式换热器，换热管的直径为30 mm，壁厚0.5 mm，管长为9 750 mm，A侧换热面积为20 000 m2；B侧换热面积为20 000 m2，汽轮机排汽流量为1 035 t/h，排汽压力为0.01 MPa，冷却水流量为67 608 t/h。

3）水环式真空泵。参考机组配备了三台100%的水环式真空泵，其主要技术数据：转速为590 r/min，功率為132 kW，入口压力3 390 Pa，入口流速为39 m3/min。

4）凝结水泵。本系统设置有2台凝结水泵，其参数为设计流量：1 764.5 t/h，设计扬程：354 m；功率：2 020 kW，最小流量：350 t/h；必需汽蚀余量为5.5 m。

5）循环水泵。本系统配置两台循环水泵，其参数为单台循环水泵流量：34 920 m3/s，泵的扬程：126.7 m，汽蚀余量：9.5 m，泵的电机功率为3 500 kW。

2.5  实验与结果分析

2.5.1  实验一

冷却水入口水温Tw1，冷却水流量Dw，冷却面积Aco不变时，凝汽器的压力Pco与凝汽量Dco的关系。

实验中设定循环冷却水的入口水温Tw1不变，冷却水流量Dw不变，保持凝汽器的水位不变，抽真空系统各设备状态不变，将蒸汽阀门V1处于80%开度位置，待系统稳定后记录蒸汽凝结流量、凝汽器的压力。

依次改变V1的位置为70%、60%、50%、40%、30%、20%，待系统稳定后分别记录蒸汽凝结流量、凝汽器的压力，如表1、图5所示。

表1  实验一数据

蒸汽调阀开度/% 凝汽量/（t/h） 凝汽器压力/kPa 蒸汽调阀开度/% 凝汽量/（t/h） 凝汽器压力/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

图5  凝汽器压力和凝汽量的关系

通过此实验可以看出，在冷却水入口水温Tw1，冷却水流量Dw，冷却面积Aco不变时，凝汽器的压力Pco随凝汽量Dco的增加而升高。

2.5.2  实验二

凝汽量Dco、冷却面积Aco、冷却水量Dw不变时，凝汽器压力Pco与冷却水水温Tw1的关系。

实验中设定蒸汽阀门V1的开度为80%，并在实验中保持不变，保持冷却水流量Dw（如10 000 kg/s）不变，保持凝汽器的水位不变，抽真空系统各设备状态不变，将冷却水进口水温设定为10 ℃，待系统稳定后记录冷却水进口水温、凝汽器的压力。

依次改变冷却水进口温度为12、14、16、18、20、22、24、26、28、30 ℃，待系统稳定后分别记录冷却水进口水温、凝汽器的压力，如表2、图6所示。

通过此实验可以看出，在凝汽量Dco、冷却面积Aco、冷却水量Dw不变时，凝汽器的压力P随冷却水入口水温Tw1的升高而增加。

表2  实验二数据

循环水入口温度/ ℃ 循环水出口温度/ ℃ 凝汽器压力/ 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

图6  凝汽器压力和循环水入口温度的关系

2.5.3  实验三

凝汽量Dco，冷却水入口水温Tw1，冷却面积Aco不变时，凝汽器压力Pco与冷却水量Dw的关系。

实验中设定蒸汽阀门V1的开度为80%，并在实验中保持不变，保持冷却水入口温度Tw1（如20 ℃）不变，保持凝汽器的水位不变，抽真空系统各设备状态不变，将冷却水进口阀设定为100%，待系统稳定后记录冷却水流量、凝汽器的压力。

依次改变冷却水进口阀门开度为90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%，待系统稳定后分别记录冷却水进口流量、凝汽器的压力，如表3、图7所示。

通过此实验可以看出，在凝汽量Dco，冷却水入口水温Tw1，冷却面积Aco不变时，凝汽器的压力P随冷却水进口流量的增加而降低。

表3  实验三数据

循环水量/（t/h） 循环水出口温度/ ℃ 凝汽器压力/ 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

图7  凝汽器压力和循环水量的关系

3  结  论

基于Web的凝汽器热力特性虚拟实验，以实际运行机组的凝汽器系统为对象，完全采用实际系统的设备及控制方案，以高精度的两相流模型为虚拟实验底层计算，准确模拟凝汽器系统的参数变化，真实反映热力过程的动态特性，填补了学生脱离实物设备无法实验的空白；从预习、课堂讲解到实验操作，提升了学生的实验积极性和创造性；培养学生利用实验数据归纳总结实验现象、分析实验结果的能力，提高学生对相关理论知识的理解和掌握。

本实验已在我校的“汽轮机设备”课程中使用，效果良好，为热动专业课程虚实结合实训项目的进一步开发打下了良好的基础。

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作者简介：林书婷（1983—），女，汉族，广西南宁人，副教授，工程硕士，研究方向：热能动力设备运行与控制技术。