汽輪機熱力性能計算軟件設計與實現

周 悅，胡 鋼，江 冰，蔡昌春（河海大學物聯網工程學院江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州　213022）

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汽輪機熱力性能計算軟件設計與實現

周 悅，胡 鋼，江 冰，蔡昌春
（河海大學物聯網工程學院江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022）

摘 要：為了提高熱力發電廠的經濟效益和達到節能降耗的要求，研究了汽輪機原則性熱力系統原理、熱力性能試驗過程和熱耗率計算方法，基于ASME PTC6—1996汽輪機試驗規程對電廠原則性熱力系統進行數學建模，開發了基于C/S架構的汽輪機熱力性能計算系統。系統采用Visual C ++6.0作為開發環境，使用C ++語言編寫，實現汽輪機熱力性能計算。SQL Server 2008作為后臺數據庫，實現數據的查詢、修改及存儲。整個系統包括應用層、業務層和數據層，具體功能模塊包括參數設置模塊、綜合性能計算模塊，結果修正模塊及數據查詢模塊。軟件計算精度較高，操作方便，界面簡潔，具有實際應用價值。

關鍵詞：汽輪機；熱耗率計算；ASME試驗規程；MFC開發；SQL server數據庫；系統設計

1 引 言

火電發展需要逐步提高火電機組的運行效益，同時兼顧資源的有效節約［1］。隨著我國生活與工業用電的需求不斷增大，高參數、大容量的汽輪機組不斷開發、研制成功［2］.為了降低煤耗、提高發電效率，研究了汽輪機原理與數學建模并開發了應用軟件，該軟件對電廠的經濟運行及節能降耗具有實際應用價值。

不同于以往基于汽輪機參數系列國家標準（GB）的汽輪機熱耗率研究，考慮到近年來我國大量引進國外先進技術，通常選用國際上通用的ASME標準作為汽輪機經濟性能評價依據，該研究基于ASME PTC6—1996試驗規程［3］，該標準主要用于電廠汽輪機本體性能-熱耗及出率的測量［4］。ASME PTC6相對于其它汽輪機性能試驗規程，具有更高的精度和可操作性［5］。

2 汽輪機熱力性能計算

2.1 汽輪機熱耗率計算

汽輪機熱耗的定義如下：

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

2.2汽輪機數學建模

機組回熱系統是發電廠熱力系統中最重要也是最復雜的部分，其由回熱加熱器、回熱抽氣管道、疏水管道等組成，其核心是回熱加熱器。加熱器數學模型的建立是編寫汽輪機組熱力性能計算軟件的難點所在。

針對以上難點，采取如下解決方法：

（1）建立熱力系統模型

建立計算模型的基礎是進行能量和質量平衡的分析，分析的關鍵是劃分控制體。由于劃分的控制體總是包含熱力系統的某一級抽汽加熱器，所以稱之為級控制體。

以圖1所示的熱力系統為例，按照加熱器模型，對該系統通用化，可得熱力系統模型，如圖2所示。

圖1 級控制體劃分示例

圖2 熱力系統模型

（2）建立熱力系統矩陣模型

根據加熱器模型列出每一級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的通用矩陣模型。

（3）建立汽輪機性能指標數學模型

熱力發電廠原則性熱力系統由熱力設備和汽水管道等構成。雖然各種熱力過程的原理和方法均不相同，但是汽輪機的各子系統、各部件都可以抽象為研究對象，建立能夠反映介質和設備特性的數學模型。每個對象都用一個或多個數據變量表示其特性參數和輸入輸出參數，對象之間的熱力關系用計算公式表示，一個復雜的原則性熱力系統就能簡化為這些模型的組合。

該模型的核心為汽輪機凈耗率公式：

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為再熱器進口蒸汽焓值（Btu/lbm）；Wshs為過熱器減溫水量；Wrhs為再熱器減溫水量；hfo7為7號加熱器出口給水熔；hfi6為6號加熱器進口給水熔；hrhs為再熱器減溫水熔；P為發電機出力。

3 汽輪機熱力性能計算軟件設計

本系統以Visual C ++ 6.0為平臺進行開發，根據機組運行參數（主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、流量、焓值等）進行計算并輸出汽輪機的熱耗率。該軟件基本上滿足了汽輪機組原則性熱力系統計算的需求，其實際意義是電廠能夠根據計算結果調節機組運行狀態，起到提高發電效率，降低煤耗的作用。

3.1軟件總體設計

軟件基于MFC平臺及SQL Server 2008數據庫開發。利用ADO技術實現數據庫與軟件平臺的連接，實現數據的查詢、修改及存儲。

基于分層設計的思想，將汽輪機熱力性能計算軟件總體框架分為應用層、業務層和數據層，如圖3所示。

圖3 軟件總體框架

3.2系統功能設計

軟件分為以下四個功能模塊：參數設置模塊、綜合計算模塊、結果修正模塊和數據處理模塊。

在參數設置模塊中，用戶輸入汽輪機組容量、機組相對內效率，各部分汽水流量、熱經濟指標、熱耗率等各項汽輪機運行參數。

在計算模塊中，計算模型根據上文的汽輪機熱耗率模型轉化而來。程序調用輸入的參數，根據各數據之間的熱力關系公式進行計算。這個數學模型構成了汽輪機原則性熱力系統業務層的核心。

主要代碼如下：

/*輸入系數矩陣和常數矩陣（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；

/*計算汽輪機的凈耗率HR*/

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

在結果修正模塊中，修正是根據ASME PTC6試驗規程對上述計算結果進行系統修正和參數修正，其基本原則是實測的流量和通流部分的效率恒定。程序將系統修正項目的設計值帶入，進一步迭代計算，對影響給水加熱系統的變量和發電機運行參數的偏離量進行修正。

在數據處理模塊中，系統提供汽輪機運行單參數的影響仿真分析和數據的條件查詢和刪除。

系統功能組成框架圖如圖4所示。

圖4 系統功能組成框架圖

3.3軟件工作流程圖

軟件工作流程如圖5所示。運行軟件后，用戶輸入汽輪機的各項運行參數，計算各級輸水流量、最終水流量、主蒸氣流量和汽輪機凈耗率，用戶可選擇是否進行修正，是否對汽輪機運行參數進行影響分析，是否對數據進行查詢或刪除。

4 數據庫設計

數據庫是系統的基礎，火力發電廠汽輪機組的數據復雜而且數據量十分龐大，為了保證火電廠的高效運行，構建結構清晰且安全穩定的數據庫至關重要。

4.1 數據庫訪問技術

隨著數據時代的來臨，數據庫越來越成為各類軟件的重要組成部分，其中數據庫訪問技術成為數據庫應用中的重要環節。微軟提出了多種數據庫訪問技術，如ODBC、DAO、OLE DB、ADO等。開放數據庫互聯（Open Database Connectivity，ODBC）是微軟引進的一種早期數據庫接口技術，但其訪問速度慢，不適用于對象數據庫；數據訪問對象（Data Access Objects，DAO）是微軟第一個面向對象的數據庫接口，但其對SQL等非MDB數據庫的執行效率較低；對象鏈接與嵌入數據庫（Object Link and Embed Database，OLE DB）是微軟戰略性的通向不同數據源的低級應用程序接口，但它使用時需加入很多代碼，使用起來比較復雜［6］；控件數據對象（ActiveX Data Objects，ADO）是獨立于開發工具和開發語言的數據接口，它具有功能強、通用性好、效率高、占用空間少等特點。隨著數據庫訪問技術的不斷發展，對數據庫的訪問多采用ADO對象模型，ADO將成為數據庫訪問技術的主流［7］。

圖5 汽輪機熱力性能計算軟件工作流程圖

系統采用ADO數據庫訪問技術來對SQLServer數據庫進行連接以及讀寫等操作。

4.2利用ADO技術連接數據庫

利用ADO技術連接數據庫，首先要導入ADO動態鏈接庫。在使用ADO對象之前必須初始化COM庫環境并釋放COM資源。其次，用ADO對象訪問數據庫，使用連接指針進行數據庫表的連接。連接成功后，在MFC的按鈕函數中寫入SQL語言，實現數據的修改及查詢。數據庫連接流程如圖6所示。

ADO連接數據庫主要代碼如下：

/*導入ADO庫*/

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

/*創建三個核心對象*/

_CommandPtr m_ptrCommand（__uuidof（Command））；//命令對象

_RecordsetPtr m_ptrRecordset（__uuidof（Recordset））；//記錄集對象

_ConnectionPtr m_ptrConnection（__uuidof（Connection））；//數據庫對象

/*連接SQL Server數據庫*/

m_pConnection.CreateInstance（" ADODB.Connection"）；//創建連接對象實例

_bstr_t strConnect = " Provider = SQLOLEDB.1；Persist Security Info = False；Initial Catalog =數據庫名；Data Source =本地主機"；//連接字符串

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

//打開數據庫4.3數據庫功能

圖6 數據庫連接流程圖

本軟件數據庫系統的主要功能有以下3個方面：

（1）汽輪機參數的輸入、存儲。汽輪機參數可由用戶手動輸入，也可從數據庫中調出已存在的數據。數據經確認無誤后存入數據庫。

（2）數據查詢。用戶可按“日期-時間”查詢存入數據庫中的數據。

（3）數據刪除。用戶可直接在軟件界面上刪除數據，不需要特地打開數據庫軟件操作。

5 軟件測試

5.1測試目的

以某發電廠機組實際運行參數作為測試數據，采用本程序進行計算額定工況下的熱耗率，測試所有功能，從而驗證該軟件計算的準確性及系統的可靠性。

5.2集成測試及分析

程序運行界面如圖7至圖9所示。

圖7 參數設置界面

圖8 計算結果界面

圖9 數據查詢界面

如圖7所示，汽輪機運行參數可手工輸入，也可由數據庫直接導入。單擊“汽輪機熱耗率計算”按鈕進入汽輪機效率計算界面，如圖8所示。在該界面中可以計算汽輪機熱耗率。數據查詢界面如圖9，可以通過設置時間查詢數據庫中存在的汽輪機數據。

經檢驗，汽輪機熱力性能計算軟件取得了較為良好的實際效果，在一定程度上滿足了電廠汽輪機熱力性能計算的需求。

6 結束語

《能源發展“十二五”規劃》對火力發電提出更高的期望［8］?！笆濉逼陂g，我國積極推進能源的高效清潔轉化，高效清潔發展煤電，要做到統籌煤炭開發利用與環境保護，加快建設先進生產能力，淘汰落后產能，安全高效開發煤炭，實現節能減排［9］。為最大限度地提高電力工業的運行效益，同時兼顧能源的節約，應當加強對熱力發電廠節能降耗方面技術與實踐的重視。汽輪機組的熱耗率是衡量熱力發電廠機組效益的重要指標。降低機組的熱耗率、優化汽輪機的運行對熱力發電廠機組運行、電廠經濟指標乃至整個國家電網穩定運行都有十分重要的作用。

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·微機應用·

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

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1002-2279（2016）02-0065-05

作者簡介：周悅（1990-），女，福建省福州市人，碩士研究生，主研方向：物聯網技術與應用。

收稿日期：2015-05-19