【《EBSILON热平衡分析软件介绍及案例研究》5700字】

EBSILON热平衡分析软件介绍及案例研究目录TOC\o"1-3"\h\u18139EBSILON热平衡分析软件介绍及案例研究 1301411.1EBSILON热平衡分析软件介绍及功能 1271601.2EBSILON热平衡分析建模流程 419081.2.1热平衡分析主要计算步骤 419911.2.2EBSILON热力系统建模分析步骤 5262531.3基于EBSILON软件的冷凝器热力性能分析 6123311.1.1冷凝器模型介绍 6209751.1.2基于EBSILON软件的冷凝器仿真分析 780621.4融合EBSILON与MATLAB软件的冷凝器影响因素分析 11210351.4.1基本分析流程 1231401.4.2程序与结果分析 12蒸汽动力系统的热平衡分析是准确掌握其性能和实现热力系统优化的关键。随着计算机技术与信息工业发展突飞猛进，计算机仿真模拟和计算可以有效降低现地实验的门槛与成本，利用热力学理论与计算机仿真技术，对蒸汽动力装置热力系统进行分析和优化具有非常重要的意义。EBSILON是以热力学理论与计算机仿真技术为基础，对蒸汽动力装置热力系统进行分析和优化的一套热力系统分析软件，利用该软件可简化操作、实现多工况热平衡仿真分析、结构和运行特性参数影响规律分析。本章将以第二章介绍的蒸汽动力系统为基础，给出热力系统热平衡分析的基本流程，并重点介绍EBSILON软件实现热平衡分析的基本功能和流程；并用EBSILON软件实现开展某冷凝器变工况热平衡分析，同时结合MATLAB软件实现冷凝器变工况运行影响因素分析，通过设计参数验证软件计算具有较高的精度和效率，为后续开展蒸汽动力系统的热力系统热平衡分析及优化奠定基础。1.1EBSILON热平衡分析软件介绍及功能EBSILON软件是德国STEAG电力公司在实际应用中开发的软件工具，是一款通用热力学建模组态软件，主要用于热力系统循环热平衡计算和仿真。EBSILON软件既可以对例如换热器、抽气管道等部件进行单个设备仿真，也可以将部件在一定的参数设定规则下进行闭环连接，从而达到仿真整个热力系统的目的。EBSILON软件广泛地用于热力系统设计、优化、改造和运行过程。在设计阶段，可以迅速设计各种方案，优化方案的参数，模拟变工况运行；在运行阶段，可以评估设备状态、诊断系统故障、设计并评价改造方案。EBISLON可以在办公室离线分析使用，也可以安装到实际生产现场实现在线分析。正由于EBSILON灵活强大的特性，因此常常称之为一站式解决方案。EBSILON软件包含一个必要模块：EBSILONProfessional基本模块，七个可选模块：EbsScript编程模块、EbsBoiler锅炉模块、EbsSolar太阳能模块、EbsOptimize优化模块、EbsValidate校验模块、OEM-GTLib（GasTurbineLibrary）燃气轮机库模块以及ReciprocatingEngine内燃机库模块，以下将对各个模块进行简单介绍：（1）EBSILONProfessional基本模块基本模块包含基本的软件可视化组态建模及显示界面，包含Simulate计算模式，该计算模式最为常用，可实现95%以上的使用场景。（2）EbsScript编程模块该模块使用内置的Pascal编程语言，可实现自定义组件和软件内置的编程过程。主要用于自动控制模型的运行方式，自定义一些计算或迭代过程等。同时也可进行插件传输，使用此模块可方便地与Excel进行数据双向传输。实现设置参数和计算结果的导入导出。（3）EbsBoiler锅炉或蒸发器模块

包含88号烟道、89号管束受热面、90号燃烧器、91号辅助受热面4个组件。运用这些组件可以搭建详细锅炉模型，主要分析锅炉内部的热平衡、汽水平衡、各受热面传热系数、烟气温度变化梯度。（4）EbsSolar太阳能模块EbsSolar是STEAG公司与德国宇航局（DLR）合作开发的模块，德国宇航局在太阳位置计算和镜场布置与镜场效率计算方面有深入的研究。EbsSolar模块包含太阳能集热器、日光反射装置区域、太阳能塔、分布头和收集头等组件，适用于搭建详细的槽式或塔式太阳能发电循环热力系统。EBSILON搭建的槽式和塔式太阳能电站系统如下图所示：图1.1槽式太阳能电站系统图1.2塔式太阳能电站系统（5）EbsOptimize优化模块通过优化算法实现参数的智能寻优。可实现多参数、多限制条件的表达式寻优。寻优目标值可以是模型中的某个变量，或者为某个自定义的表达式（一般优化目标为系统效率或热耗）。（6）EbsValidate校验模块该模块包含Validate数据校正算法。该算法主要应用于电厂冗余测量数据的测点协调和数据校验，以通过算法尽可能减少测点的偏差，使模型分析切合实际机组真实状态。（7）OEM-GTLib燃气轮机库模块(GasTurbineLibrary，GT模块)燃气轮机数据库包含106号OEM燃气轮机组件。该组件是根据OEM（OriginalEquipmentManufacturer，原始设备制造商）所提供的出厂额定数据及变工况修正曲线来模拟燃气轮机的运行特性。（8）内燃机模块153号燃气内燃机组件包含基于厂家数据的燃气内燃机详细性能参数，现有76台燃气内燃机，可用于基于燃气内燃机的分布式热电冷三联供系统研究。1.2EBSILON热平衡分析建模流程1.2.1热平衡分析主要计算步骤对热力系统进行热平衡计算，计算过程需要列出的基本方程式有三类：质量平衡式、各加热器的热平衡式以及汽轮机组的功率方程式。热平衡计算一般采用简单迭代法，基本步骤如下：Ⅰ.已知净电功率为Nnet，假设电站有效效率为ηQR=Ⅱ.确定主泵对冷却剂的加热功率QPQs=Ⅲ.根据Qs进行蒸汽发生器的热平衡计算，确定给水量G Gfw=式中ξphfhh'hfwⅣ.进行系统各设备耗汽量计算，确定总蒸汽耗量：Ds=①根据前面计算得到的蒸汽发生器给水量Gfw，进行给水回热系统热平衡计算，确定出汽轮机各级抽汽点的抽汽量Gse,k及主冷凝器出口的凝水量根据汽水流量的绝对量列出各级加热器的热平衡式，每一级加热器都要建立热平衡式。在工程计算中，通常以汽轮机耗汽量的相对量表示各级抽汽份额和凝气份额，再根据功率方程式求得汽轮机耗汽量，求出各级抽汽量和凝汽流量的绝对值。有时先近似估算，根据各级加热器的热平衡式求出各级抽汽量的绝对值，再计算机组的电功率、效率及其他热经济性指标。Z级回热加热系统，有Z个抽汽系数和一个凝汽系数，共(Z+1)个未知数，需用(Z+1)元一次方程联立求解，即利用Z个加热器的热平衡式和一个汽轮机的功率方程式求解。计算的程序视回热系统的连接方式而定。一般从高压加热器开始，依次求出其抽汽系数，直到压力较低的加热器。②汽轮发电机组的耗汽量计算，确定额定满功率运行时高、低压缸的耗汽量及中间汽水分离/再热器的耗汽量。③给水泵计算，确定给水泵汽轮机的耗汽量或者给水泵电动机的输入功率。④主冷凝器热平衡计算，确定主冷凝器中的凝水量。⑤比较Gcd与G'Gcd−则修正GfwⅤ.根据Ds进行蒸汽发生器热平衡计算，确定蒸汽供应系统热功率Q' Q's Ⅵ.设QP为定值，计算出热功率Q'η'eⅦ.比较假设效率与计算效率，若 ηe−η'成立，计算结束，否则重新设定ηt1.2.2EBSILON热力系统建模分析步骤 在EBSILON软件中建立一个整体的热力系统仿真模型，可以遵循以下步骤：（1）分析该热力系统的主要部件，确定主要部件的构建方式，并对其模型机理进行深层次分析，确定其变工况下的特性。（2）分析系统中其他部件的构建及设定方式。（3）成功搭建部件后，检查系统，主要检查小流量及轴封，由此完成系统的构建，并进行输入简化。（4）在额定工况模式搭建成功的基础上，输入特性曲线，在变工况模式下，对系统进行修正，使系统成功运行。1.3基于EBSILON软件的冷凝器热力性能分析1.1.1冷凝器模型介绍冷凝器是制冷系统的机件，属于换热器的一种，能把气体或蒸汽转变成液体，将管子中的热量传到管子附近的空气中。其工作过程是个放热的过程，所以冷凝器温度都是较高的。在冷凝器中，气体通过一根长长的管子（通常盘成螺线状），让热量散失到四周的空气中，由于铜之类的金属导热性能强，故常用于输送蒸汽。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加热传导性能优异的散热片，加大散热面积，以加速散热，并通过风机加快空气对流，把热量带走。冷凝器的必要性基于热力学第二定律——根据热力学第二定律，封闭系统内部热能自发的流动方向是单向的，即只能从高热流向低热，在微观世界表现为承载热能的微观粒子只能由有序变成无序。所以，一个热机在有能量输入做功的同时，下游也必须有能量放出，这样上下游才会有热能差距，热能的流动才会成为可能，循环才会继续下去。在定工况下，必须提供进汽压力(作为线路3上的启动或测量值)和上端温差。然后由EBSILON计算冷却水流量M1N和k*A的标称值KAN。在变工况模式下，有几种计算类型，可以通过指定FSPEC和FHEI来设置。管路连接1冷却介质进口2冷却介质出口3排汽口4冷凝液出口5辅助冷凝入口6KAN或CLTUBE的控制入口7旁路蒸汽出口1.1.2基于EBSILON软件的冷凝器仿真分析取冷凝器组件7放置在工作区，由于不需要考虑外界进入热阱的介质，所以我们关闭冷凝器的5号接口。关闭5号接口后，冷凝器成为一个十分简单的双进双出的换热器，其中，1号接口为循环水进口，2号接口为循环水出口，3号接口为汽轮机乏汽进口，4号接口为冷却乏汽后的凝结水出口。将进出口分别连接出来，按照冷凝器技术规范对冷凝器进行参数的设定（如材质、内径、外径及长度等），确保冷凝器参数与技术规范保持一致。使用46号组件给定循环水流量、循环水温度、冷却水出口温度及冷凝器背压，其他参数均是通过以上参数推算的结果。系统搭建如下图所示：图1.3冷凝器系统搭建此处以典型单流程、表面式、单背压式冷凝器为对象进行分析，冷凝器典型结构参数如表所示。表1.1冷凝器结构参数项目名称单位参数型式/单背压、单壳体单流程、表面式流程数/1冷凝器压力kPa20主凝结区冷却管材质/钛合金冷却管规格/Φ16×1循环水流量m3/s1.95循环水管内流速m/s2.5设计循环水温℃20清洁系数/0.966表1.2冷凝器计算结果列表项目名称单位设计值计算值机组负荷MW额定负荷额定负荷冷凝器冷却水流量m3/s1.951.95冷却管内水流速m/s2.52.499表1.2（续）冷却水进口温度℃2020冷却水出口温度℃3029.988冷凝器压力kPa2020冷却水温升℃109.988通过EBSILON软件进行冷凝器模型额定工况热平衡分析，通过与冷凝器设计参数比较可知，EBSILON软件进行冷凝器热平衡计算具有较高的精度，在冷凝器压力相同的情况下，计算得到的冷却水流速、冷却水温升均与设计参数相当，进一步说明基于该软件进行热力设备热平衡分析有较好的适应性。具体计算框图如下图所示，可见可清晰地显示冷凝器各接口处的性能参数，图中主要蒸汽或凝结水的压力、焓值、温度和流量进行显示，通过更改设置，可以显示更多的参数值。图1.4额定工况时冷凝器热平衡计算框图以上述额定工况计算结果为基础便可开展冷凝器的变工况分析，当冷凝器接收的汽轮机排汽负荷保持不变时，图1.8为外界水温从20℃升高到25℃时的计算结果。由图可以看出，当其余参数保持不变的情况下，随着冷却水温度的升高，冷凝器压力值升高至24kPa，冷却水出口温度升高至35.016℃。若此时循环水量降低至1.5m³/s，由图1.6可见，冷凝器内的压力将急剧升高至31kPa，冷却水出口温度达到38.021℃，此时冷却水温升高达14℃，超过允许的10℃。不同外界参数的变化，还会导致冷凝器总体换热系数、冷却水流速等参数的变化，而这些变化都能够利用EBSILON软件进行全面的分析。当冷却水流量改变为2.5m³/s时，冷凝器压力值保持不变，冷却水出口温度下降至27.8℃，冷却水出口压强下降为94kPa，排汽口压强、温度均下降，压强下降为16kPa，温度降为55.36℃。详细参数可从下图1.5得出。图1.5冷却水流量改变为2.5m3/s时冷凝器参数冷却水流量改变为1.5m³/s时，冷凝器内的压力将急剧升高至31kPa，冷却水出口温度达到38.021℃，此时冷却水温升高达14℃，超过允许的10℃。参数的变化，还会导致冷凝器总体换热系数、冷却水流速等参数的变化，可从下图1.6得出。图1.6冷却水流量改变为1.5m3/s时冷凝器参数冷却水进口温度改变为10℃时，由图可以看出，当其余参数保持不变的情况下，随着冷却水温度的降低，冷凝器压力值降低至17kPa，冷却水出口温度下降至19.967℃，冷却水出口压强保持不变，参数信息可从下图1.7得到。图1.7冷却水进口温度改变为10℃时冷凝器参数冷却水进口温度改变为25℃时，由图可以看出，当其余参数保持不变的情况下，随着冷却水温度的升高，冷凝器压力值升高至24kPa，冷却水出口温度升高至35.016℃，参数信息可从下图1.8得到。图1.8冷却水进口温度改变为25℃时冷凝器参数1.4融合EBSILON与MATLAB软件的冷凝器影响因素分析当我们对冷凝器进行实际测量，是将循环水温度和循环水流量修正到一个特定的状态下。如果想观察这两个参数在一定的变化范围内，整个冷凝器的背压会如何变化，手动进行这两个参数的修改将会是一个很麻烦的过程，这个时候就需要使用一定的脚本工具，例如MATLAB，来进行一系列大规模的计算。由此，在上述冷凝器案例的基础上，进一步将EBSILON与MATLAB结合进行分析。1.4.1基本分析流程Ⅰ.这个项目的目的是建立一个EBSILON模型，通过这个模型可以进行冷凝器性能计算，并将计算结果用MATLAB创建冷凝器工作表面。Ⅱ.在模型中也可以增加泵系统，这样就可以进行冷优化1.4.2程序与结果分析各个文件功能如下：文件功能calculationRun.m主程序condenser.m调用condenser.ebscondenser.ebs冷凝器模型列写MATLAB程序如下：（1）calculationRun.mtic;vRange=1.5:0.1::2.5;tRange=15:1:30;[volumeFlow,temperature]=meshgrid(vRange,tRange);pressure=arrayfun(@condenser,volumeFlow,temperature);toc;condenserFigure(pressure,temperature,volumeFlow);（2）condenser.mfunctionpressure=condenser(flow,temperature)globalasmInfoappocmodelobjectsT_objectsV_objectsTTmeasmVVmeasm;if(~(size(asmInfo)))ticdisp('callEbsOpen.dll')asmInfo=NET.addAssembly('C:\ProgramFiles\Ebsilon\EBSILONProfessional13Patch2\EbsOpen.dll')app=EbsOpen.ApplicationClass;oc=app.ObjectCaster;model=app.Open('D:\condenser.ebs');model.ActivateProfile('temperature_and_mass_flow_and_clean_factor');objects=model.ObjectsT_objects=objects.Item('T_46')V_objects=objects.Item('V