周 悅，胡 鋼，江 冰，蔡昌春（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州　213022）

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汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 悅，胡 鋼，江 冰，蔡昌春
（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

摘 要：為了提高熱力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益和達(dá)到節(jié)能降耗的要求，研究了汽輪機(jī)原則性熱力系統(tǒng)原理、熱力性能試驗(yàn)過(guò)程和熱耗率計(jì)算方法，基于ASME PTC6—1996汽輪機(jī)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)電廠原則性熱力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，開(kāi)發(fā)了基于C/S架構(gòu)的汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Visual C ++6.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C ++語(yǔ)言編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算。SQL Server 2008作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、修改及存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)包括應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，具體功能模塊包括參數(shù)設(shè)置模塊、綜合性能計(jì)算模塊，結(jié)果修正模塊及數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊。軟件計(jì)算精度較高，操作方便，界面簡(jiǎn)潔，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；熱耗率計(jì)算；ASME試驗(yàn)規(guī)程；MFC開(kāi)發(fā)；SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

火電發(fā)展需要逐步提高火電機(jī)組的運(yùn)行效益，同時(shí)兼顧資源的有效節(jié)約［1］。隨著我國(guó)生活與工業(yè)用電的需求不斷增大，高參數(shù)、大容量的汽輪機(jī)組不斷開(kāi)發(fā)、研制成功［2］.為了降低煤耗、提高發(fā)電效率，研究了汽輪機(jī)原理與數(shù)學(xué)建模并開(kāi)發(fā)了應(yīng)用軟件，該軟件對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及節(jié)能降耗具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

不同于以往基于汽輪機(jī)參數(shù)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）的汽輪機(jī)熱耗率研究，考慮到近年來(lái)我國(guó)大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，通常選用國(guó)際上通用的ASME標(biāo)準(zhǔn)作為汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)依據(jù)，該研究基于ASME PTC6—1996試驗(yàn)規(guī)程［3］，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于電廠汽輪機(jī)本體性能-熱耗及出率的測(cè)量［4］。ASME PTC6相對(duì)于其它汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程，具有更高的精度和可操作性［5］。

2 汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算

2.1 汽輪機(jī)熱耗率計(jì)算

汽輪機(jī)熱耗的定義如下：

汽輪機(jī)的熱耗可用毛熱耗或凈熱耗表示。但是，毛熱耗不能體現(xiàn)由泵功率的改變所造成的性能差異，因此采用凈耗率來(lái)表示汽輪機(jī)的性能值。

2.2汽輪機(jī)數(shù)學(xué)建模

機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)是發(fā)電廠熱力系統(tǒng)中最重要也是最復(fù)雜的部分，其由回?zé)峒訜崞?、回?zé)岢闅夤艿馈⑹杷艿赖冉M成，其核心是回?zé)峒訜崞?。加熱器?shù)學(xué)模型的建立是編寫(xiě)汽輪機(jī)組熱力性能計(jì)算軟件的難點(diǎn)所在。

針對(duì)以上難點(diǎn)，采取如下解決方法：

（1）建立熱力系統(tǒng)模型

建立計(jì)算模型的基礎(chǔ)是進(jìn)行能量和質(zhì)量平衡的分析，分析的關(guān)鍵是劃分控制體。由于劃分的控制體總是包含熱力系統(tǒng)的某一級(jí)抽汽加熱器，所以稱(chēng)之為級(jí)控制體。

以圖1所示的熱力系統(tǒng)為例，按照加熱器模型，對(duì)該系統(tǒng)通用化，可得熱力系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖1 級(jí)控制體劃分示例

圖2 熱力系統(tǒng)模型

（2）建立熱力系統(tǒng)矩陣模型

根據(jù)加熱器模型列出每一級(jí)加熱器的熱平衡方程，整理成矩陣形式，有

即得原則性熱力系統(tǒng)的通用矩陣模型。

（3）建立汽輪機(jī)性能指標(biāo)數(shù)學(xué)模型

熱力發(fā)電廠原則性熱力系統(tǒng)由熱力設(shè)備和汽水管道等構(gòu)成。雖然各種熱力過(guò)程的原理和方法均不相同，但是汽輪機(jī)的各子系統(tǒng)、各部件都可以抽象為研究對(duì)象，建立能夠反映介質(zhì)和設(shè)備特性的數(shù)學(xué)模型。每個(gè)對(duì)象都用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)變量表示其特性參數(shù)和輸入輸出參數(shù)，對(duì)象之間的熱力關(guān)系用計(jì)算公式表示，一個(gè)復(fù)雜的原則性熱力系統(tǒng)就能簡(jiǎn)化為這些模型的組合。

該模型的核心為汽輪機(jī)凈耗率公式：

式中，Wt為主蒸汽流量（lbm/h）；Wr為再熱蒸汽流量（lbm/h）；ht為主蒸汽焓值（Btu/lbm）；hhrh為再熱器出口蒸汽焓值（Btu/lbm）；hcrh為再熱器進(jìn)口蒸汽焓值（Btu/lbm）；Wshs為過(guò)熱器減溫水量；Wrhs為再熱器減溫水量；hfo7為7號(hào)加熱器出口給水熔；hfi6為6號(hào)加熱器進(jìn)口給水熔；hrhs為再熱器減溫水熔；P為發(fā)電機(jī)出力。

3 汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Visual C ++ 6.0為平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)（主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、流量、焓值等）進(jìn)行計(jì)算并輸出汽輪機(jī)的熱耗率。該軟件基本上滿(mǎn)足了汽輪機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算的需求，其實(shí)際意義是電廠能夠根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，起到提高發(fā)電效率，降低煤耗的作用。

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

軟件基于MFC平臺(tái)及SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件平臺(tái)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、修改及存儲(chǔ)。

基于分層設(shè)計(jì)的思想，將汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算軟件總體框架分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖3所示。

圖3 軟件總體框架

3.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

軟件分為以下四個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、綜合計(jì)算模塊、結(jié)果修正模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

在參數(shù)設(shè)置模塊中，用戶(hù)輸入汽輪機(jī)組容量、機(jī)組相對(duì)內(nèi)效率，各部分汽水流量、熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、熱耗率等各項(xiàng)汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

在計(jì)算模塊中，計(jì)算模型根據(jù)上文的汽輪機(jī)熱耗率模型轉(zhuǎn)化而來(lái)。程序調(diào)用輸入的參數(shù)，根據(jù)各數(shù)據(jù)之間的熱力關(guān)系公式進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)數(shù)學(xué)模型構(gòu)成了汽輪機(jī)原則性熱力系統(tǒng)業(yè)務(wù)層的核心。

主要代碼如下：

/*輸入系數(shù)矩陣和常數(shù)矩陣（即增廣矩陣）的元素*/

getarray（n）；

/*輸出最終的增廣矩陣*/showarray（n）；countarray（n）；

/* Wf =Wm +W7 +W6 +Wd-Wds +進(jìn)入水泵的密封水量-泵的泄漏量-減溫水量*/

W7 =b［0］；W6 =b［1］；Wd =b［2］；W5 =Wd-Whp，W4 =b［3］；W3 =b［4］；W2 =b［5］；W1 =b［6］；

Wf =Wm +W7 +W6 +Wd +Wpumpmin-Wds-（Wpumpmout +Wpumpzout）-（Wsuperheater +Wreagain）；

Wcoldreagain = W0-W2lost-Wreagianlost-W1highlost-W1lowlost-Wheaterlost-W7heaterlost-W2heaterlost-Wlowairlost；

Whotreagain =Wcoldreagain +Wreagain；

/*計(jì)算汽輪機(jī)的凈耗率HR*/

HR =（（W0-Wsuperheater）*（h0-hfo7）+ Wsuperheater*（h0-hfi6）+（Whotreagain-Wreagain）* （hhrh-hcrh）+Wreagain*（hhrh-hrhs））/Fpower；

在結(jié)果修正模塊中，修正是根據(jù)ASME PTC6試驗(yàn)規(guī)程對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)修正和參數(shù)修正，其基本原則是實(shí)測(cè)的流量和通流部分的效率恒定。程序?qū)⑾到y(tǒng)修正項(xiàng)目的設(shè)計(jì)值帶入，進(jìn)一步迭代計(jì)算，對(duì)影響給水加熱系統(tǒng)的變量和發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的偏離量進(jìn)行修正。

在數(shù)據(jù)處理模塊中，系統(tǒng)提供汽輪機(jī)運(yùn)行單參數(shù)的影響仿真分析和數(shù)據(jù)的條件查詢(xún)和刪除。

系統(tǒng)功能組成框架圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能組成框架圖

3.3軟件工作流程圖

軟件工作流程如圖5所示。運(yùn)行軟件后，用戶(hù)輸入汽輪機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算各級(jí)輸水流量、最終水流量、主蒸氣流量和汽輪機(jī)凈耗率，用戶(hù)可選擇是否進(jìn)行修正，是否對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行影響分析，是否對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)或刪除。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組的數(shù)據(jù)復(fù)雜而且數(shù)據(jù)量十分龐大，為了保證火電廠的高效運(yùn)行，構(gòu)建結(jié)構(gòu)清晰且安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)至關(guān)重要。

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)

隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，數(shù)據(jù)庫(kù)越來(lái)越成為各類(lèi)軟件的重要組成部分，其中數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)成為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。微軟提出了多種數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，如ODBC、DAO、OLE DB、ADO等。開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)（Open Database Connectivity，ODBC）是微軟引進(jìn)的一種早期數(shù)據(jù)庫(kù)接口技術(shù)，但其訪問(wèn)速度慢，不適用于對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象（Data Access Objects，DAO）是微軟第一個(gè)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)接口，但其對(duì)SQL等非MDB數(shù)據(jù)庫(kù)的執(zhí)行效率較低；對(duì)象鏈接與嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)（Object Link and Embed Database，OLE DB）是微軟戰(zhàn)略性的通向不同數(shù)據(jù)源的低級(jí)應(yīng)用程序接口，但它使用時(shí)需加入很多代碼，使用起來(lái)比較復(fù)雜［6］；控件數(shù)據(jù)對(duì)象（ActiveX Data Objects，ADO）是獨(dú)立于開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的數(shù)據(jù)接口，它具有功能強(qiáng)、通用性好、效率高、占用空間少等特點(diǎn)。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)多采用ADO對(duì)象模型，ADO將成為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)的主流［7］。

圖5 汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算軟件工作流程圖

系統(tǒng)采用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)來(lái)對(duì)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接以及讀寫(xiě)等操作。

4.2利用ADO技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)

利用ADO技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，首先要導(dǎo)入ADO動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。在使用ADO對(duì)象之前必須初始化COM庫(kù)環(huán)境并釋放COM資源。其次，用ADO對(duì)象訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用連接指針進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表的連接。連接成功后，在MFC的按鈕函數(shù)中寫(xiě)入SQL語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改及查詢(xún)。數(shù)據(jù)庫(kù)連接流程如圖6所示。

ADO連接數(shù)據(jù)庫(kù)主要代碼如下：

/*導(dǎo)入ADO庫(kù)*/

#import " C：Program Files Common Files System ado msado15.dll" no _ namespace rename （"EOF"，"rsEOF"）

/*創(chuàng)建三個(gè)核心對(duì)象*/

_CommandPtr m_ptrCommand（__uuidof（Command））；//命令對(duì)象

_RecordsetPtr m_ptrRecordset（__uuidof（Recordset））；//記錄集對(duì)象

_ConnectionPtr m_ptrConnection（__uuidof（Connection））；//數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象

/*連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)*/

m_pConnection.CreateInstance（" ADODB.Connection"）；//創(chuàng)建連接對(duì)象實(shí)例

_bstr_t strConnect = " Provider = SQLOLEDB.1；Persist Security Info = False；Initial Catalog =數(shù)據(jù)庫(kù)名；Data Source =本地主機(jī)"；//連接字符串

m _ pConnection-〉Open（strConnect，" sa"，"sa"，adModeUnknown）；

//打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)4.3數(shù)據(jù)庫(kù)功能

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)連接流程圖

本軟件數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的主要功能有以下3個(gè)方面：

（1）汽輪機(jī)參數(shù)的輸入、存儲(chǔ)。汽輪機(jī)參數(shù)可由用戶(hù)手動(dòng)輸入，也可從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出已存在的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）數(shù)據(jù)查詢(xún)。用戶(hù)可按“日期-時(shí)間”查詢(xún)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)刪除。用戶(hù)可直接在軟件界面上刪除數(shù)據(jù)，不需要特地打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件操作。

5 軟件測(cè)試

5.1測(cè)試目的

以某發(fā)電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，采用本程序進(jìn)行計(jì)算額定工況下的熱耗率，測(cè)試所有功能，從而驗(yàn)證該軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的可靠性。

5.2集成測(cè)試及分析

程序運(yùn)行界面如圖7至圖9所示。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

圖8 計(jì)算結(jié)果界面

圖9 數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

如圖7所示，汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)可手工輸入，也可由數(shù)據(jù)庫(kù)直接導(dǎo)入。單擊“汽輪機(jī)熱耗率計(jì)算”按鈕進(jìn)入汽輪機(jī)效率計(jì)算界面，如圖8所示。在該界面中可以計(jì)算汽輪機(jī)熱耗率。數(shù)據(jù)查詢(xún)界面如圖9，可以通過(guò)設(shè)置時(shí)間查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的汽輪機(jī)數(shù)據(jù)。

經(jīng)檢驗(yàn)，汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算軟件取得了較為良好的實(shí)際效果，在一定程度上滿(mǎn)足了電廠汽輪機(jī)熱力性能計(jì)算的需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》對(duì)火力發(fā)電提出更高的期望［8］。“十二五”期間，我國(guó)積極推進(jìn)能源的高效清潔轉(zhuǎn)化，高效清潔發(fā)展煤電，要做到統(tǒng)籌煤炭開(kāi)發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)，加快建設(shè)先進(jìn)生產(chǎn)能力，淘汰落后產(chǎn)能，安全高效開(kāi)發(fā)煤炭，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排［9］。為最大限度地提高電力工業(yè)的運(yùn)行效益，同時(shí)兼顧能源的節(jié)約，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)熱力發(fā)電廠節(jié)能降耗方面技術(shù)與實(shí)踐的重視。汽輪機(jī)組的熱耗率是衡量熱力發(fā)電廠機(jī)組效益的重要指標(biāo)。降低機(jī)組的熱耗率、優(yōu)化汽輪機(jī)的運(yùn)行對(duì)熱力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行、電廠經(jīng)濟(jì)指標(biāo)乃至整個(gè)國(guó)家電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行都有十分重要的作用。

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·微機(jī)應(yīng)用·

Design and Implementation of Turbine Thermal Performance Calculating Software

Zhou Yue，Hu Gang，Jiang Bing，Cai Changchun
（College of Internet of Things Engineering of Hohai University，Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission & Distribution Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

Abstract：In order to improve the efficiency of the power plant steam turbine unit and save energy，the steam turbine thermal system principle，thermal performance test procedures and heat rate calculation method，and the modeled steam turbine thermal system based on ASME PTC6-1996 testing procedures are researched.The paper develops the turbine thermal performance calculating software based on C/S architecture.Visual C ++ 6.0 is used as development environment to develop the system and SQL Server 2008 used as the back-end database to achieve query，modification and storage of data.The system includes application layer，business layer and data layer，and the specific modules includes parameter setting module，integrated performance calculation module，results correction modules and data query module.The software has advantages of high calculating accuracy，simple interface，practical value and convenient operation.

Key words：Steam turbine；Heat rate；ASME Test regulation；MFC development；SQL server database；System design

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.017

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0065-05

作者簡(jiǎn)介：周悅（1990-），女，福建省福州市人，碩士研究生，主研方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

收稿日期：2015-05-19