汽轮机热力性能计算软件设计与实现

周 悦，胡 钢，江 冰，蔡昌春（河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室，常州　213022）



汽轮机热力性能计算软件设计与实现

周 悦，胡 钢，江 冰，蔡昌春
（河海大学物联网工程学院江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

摘 要：为了提高热力发电厂的经济效益和达到节能降耗的要求，研究了汽轮机原则性热力系统原理、热力性能试验过程和热耗率计算方法，基于ASME PTC6—1996汽轮机试验规程对电厂原则性热力系统进行数学建模，开发了基于C/S架构的汽轮机热力性能计算系统。系统采用Visual C ++6.0作为开发环境，使用C ++语言编写，实现汽轮机热力性能计算。SQL Server 2008作为后台数据库，实现数据的查询、修改及存储。整个系统包括应用层、业务层和数据层，具体功能模块包括参数设置模块、综合性能计算模块，结果修正模块及数据查询模块。软件计算精度较高，操作方便，界面简洁，具有实际应用价值。

关键词：汽轮机；热耗率计算；ASME试验规程；MFC开发；SQL server数据库；系统设计

1 引 言

火电发展需要逐步提高火电机组的运行效益，同时兼顾资源的有效节约［1］。随着我国生活与工业用电的需求不断增大，高参数、大容量的汽轮机组不断开发、研制成功［2］.为了降低煤耗、提高发电效率，研究了汽轮机原理与数学建模并开发了应用软件，该软件对电厂的经济运行及节能降耗具有实际应用价值。

不同于以往基于汽轮机参数系列国家标准（GB）的汽轮机热耗率研究，考虑到近年来我国大量引进国外先进技术，通常选用国际上通用的ASME标准作为汽轮机经济性能评价依据，该研究基于ASME PTC6—1996试验规程［3］，该标准主要用于电厂汽轮机本体性能-热耗及出率的测量［4］。ASME PTC6相对于其它汽轮机性能试验规程，具有更高的精度和可操作性［5］。

2 汽轮机热力性能计算

2.1 汽轮机热耗率计算

汽轮机热耗的定义如下：

汽轮机的热耗可用毛热耗或净热耗表示。但是，毛热耗不能体现由泵功率的改变所造成的性能差异，因此采用净耗率来表示汽轮机的性能值。

2.2汽轮机数学建模

机组回热系统是发电厂热力系统中最重要也是最复杂的部分，其由回热加热器、回热抽气管道、疏水管道等组成，其核心是回热加热器。加热器数学模型的建立是编写汽轮机组热力性能计算软件的难点所在。

针对以上难点，采取如下解决方法：

（1）建立热力系统模型

建立计算模型的基础是进行能量和质量平衡的分析，分析的关键是划分控制体。由于划分的控制体总是包含热力系统的某一级抽汽加热器，所以称之为级控制体。

以图1所示的热力系统为例，按照加热器模型，对该系统通用化，可得热力系统模型，如图2所示。

图1 级控制体划分示例

图2 热力系统模型

（2）建立热力系统矩阵模型

根据加热器模型列出每一级加热器的热平衡方程，整理成矩阵形式，有

即得原则性热力系统的通用矩阵模型。

（3）建立汽轮机性能指标数学模型

热力发电厂原则性热力系统由热力设备和汽水管道等构成。虽然各种热力过程的原理和方法均不相同，但是汽轮机的各子系统、各部件都可以抽象为研究对象，建立能够反映介质和设备特性的数学模型。每个对象都用一个或多个数据变量表示其特性参数和输入输出参数，对象之间的热力关系用计算公式表示，一个复杂的原则性热力系统就能简化为这些模型的组合。

该模型的核心为汽轮机净耗率公式：

式中，Wt为主蒸汽流量（lbm/h）；Wr为再热蒸汽流量（lbm/h）；ht为主蒸汽焓值（Btu/lbm）；hhrh为再热器出口蒸汽焓值（Btu/lbm）；hcrh为再热器进口蒸汽焓值（Btu/lbm）；Wshs为过热器减温水量；Wrhs为再热器减温水量；hfo7为7号加热器出口给水熔；hfi6为6号加热器进口给水熔；hrhs为再热器减温水熔；P为发电机出力。

3 汽轮机热力性能计算软件设计

本系统以Visual C ++ 6.0为平台进行开发，根据机组运行参数（主蒸汽温度、主蒸汽压力、流量、焓值等）进行计算并输出汽轮机的热耗率。该软件基本上满足了汽轮机组原则性热力系统计算的需求，其实际意义是电厂能够根据计算结果调节机组运行状态，起到提高发电效率，降低煤耗的作用。

3.1软件总体设计

软件基于MFC平台及SQL Server 2008数据库开发。利用ADO技术实现数据库与软件平台的连接，实现数据的查询、修改及存储。

基于分层设计的思想，将汽轮机热力性能计算软件总体框架分为应用层、业务层和数据层，如图3所示。

图3 软件总体框架

3.2系统功能设计

软件分为以下四个功能模块：参数设置模块、综合计算模块、结果修正模块和数据处理模块。

在参数设置模块中，用户输入汽轮机组容量、机组相对内效率，各部分汽水流量、热经济指标、热耗率等各项汽轮机运行参数。

在计算模块中，计算模型根据上文的汽轮机热耗率模型转化而来。程序调用输入的参数，根据各数据之间的热力关系公式进行计算。这个数学模型构成了汽轮机原则性热力系统业务层的核心。

主要代码如下：

/*输入系数矩阵和常数矩阵（即增广矩阵）的元素*/

getarray（n）；

/*输出最终的增广矩阵*/showarray（n）；countarray（n）；

/* Wf =Wm +W7 +W6 +Wd-Wds +进入水泵的密封水量-泵的泄漏量-减温水量*/

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；

/*计算汽轮机的净耗率HR*/

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

在结果修正模块中，修正是根据ASME PTC6试验规程对上述计算结果进行系统修正和参数修正，其基本原则是实测的流量和通流部分的效率恒定。程序将系统修正项目的设计值带入，进一步迭代计算，对影响给水加热系统的变量和发电机运行参数的偏离量进行修正。

在数据处理模块中，系统提供汽轮机运行单参数的影响仿真分析和数据的条件查询和删除。

系统功能组成框架图如图4所示。

图4 系统功能组成框架图

3.3软件工作流程图

软件工作流程如图5所示。运行软件后，用户输入汽轮机的各项运行参数，计算各级输水流量、最终水流量、主蒸气流量和汽轮机净耗率，用户可选择是否进行修正，是否对汽轮机运行参数进行影响分析，是否对数据进行查询或删除。

4 数据库设计

数据库是系统的基础，火力发电厂汽轮机组的数据复杂而且数据量十分庞大，为了保证火电厂的高效运行，构建结构清晰且安全稳定的数据库至关重要。

4.1 数据库访问技术

随着数据时代的来临，数据库越来越成为各类软件的重要组成部分，其中数据库访问技术成为数据库应用中的重要环节。微软提出了多种数据库访问技术，如ODBC、DAO、OLE DB、ADO等。开放数据库互联（Open Database Connectivity，ODBC）是微软引进的一种早期数据库接口技术，但其访问速度慢，不适用于对象数据库；数据访问对象（Data Access Objects，DAO）是微软第一个面向对象的数据库接口，但其对SQL等非MDB数据库的执行效率较低；对象链接与嵌入数据库（Object Link and Embed Database，OLE DB）是微软战略性的通向不同数据源的低级应用程序接口，但它使用时需加入很多代码，使用起来比较复杂［6］；控件数据对象（ActiveX Data Objects，ADO）是独立于开发工具和开发语言的数据接口，它具有功能强、通用性好、效率高、占用空间少等特点。随着数据库访问技术的不断发展，对数据库的访问多采用ADO对象模型，ADO将成为数据库访问技术的主流［7］。

图5 汽轮机热力性能计算软件工作流程图

系统采用ADO数据库访问技术来对SQLServer数据库进行连接以及读写等操作。

4.2利用ADO技术连接数据库

利用ADO技术连接数据库，首先要导入ADO动态链接库。在使用ADO对象之前必须初始化COM库环境并释放COM资源。其次，用ADO对象访问数据库，使用连接指针进行数据库表的连接。连接成功后，在MFC的按钮函数中写入SQL语言，实现数据的修改及查询。数据库连接流程如图6所示。

ADO连接数据库主要代码如下：

/*导入ADO库*/

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

/*创建三个核心对象*/

_CommandPtr m_ptrCommand（__uuidof（Command））；//命令对象

_RecordsetPtr m_ptrRecordset（__uuidof（Recordset））；//记录集对象

_ConnectionPtr m_ptrConnection（__uuidof（Connection））；//数据库对象

/*连接SQL Server数据库*/

m_pConnection.CreateInstance（" ADODB.Connection"）；//创建连接对象实例

_bstr_t strConnect = " Provider = SQLOLEDB.1；Persist Security Info = False；Initial Catalog =数据库名；Data Source =本地主机"；//连接字符串

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

//打开数据库4.3数据库功能

图6 数据库连接流程图

本软件数据库系统的主要功能有以下3个方面：

（1）汽轮机参数的输入、存储。汽轮机参数可由用户手动输入，也可从数据库中调出已存在的数据。数据经确认无误后存入数据库。

（2）数据查询。用户可按“日期-时间”查询存入数据库中的数据。

（3）数据删除。用户可直接在软件界面上删除数据，不需要特地打开数据库软件操作。

5 软件测试

5.1测试目的

以某发电厂机组实际运行参数作为测试数据，采用本程序进行计算额定工况下的热耗率，测试所有功能，从而验证该软件计算的准确性及系统的可靠性。

5.2集成测试及分析

程序运行界面如图7至图9所示。

图7 参数设置界面

图8 计算结果界面

图9 数据查询界面

如图7所示，汽轮机运行参数可手工输入，也可由数据库直接导入。单击“汽轮机热耗率计算”按钮进入汽轮机效率计算界面，如图8所示。在该界面中可以计算汽轮机热耗率。数据查询界面如图9，可以通过设置时间查询数据库中存在的汽轮机数据。

经检验，汽轮机热力性能计算软件取得了较为良好的实际效果，在一定程度上满足了电厂汽轮机热力性能计算的需求。

6 结束语

《能源发展“十二五”规划》对火力发电提出更高的期望［8］。“十二五”期间，我国积极推进能源的高效清洁转化，高效清洁发展煤电，要做到统筹煤炭开发利用与环境保护，加快建设先进生产能力，淘汰落后产能，安全高效开发煤炭，实现节能减排［9］。为最大限度地提高电力工业的运行效益，同时兼顾能源的节约，应当加强对热力发电厂节能降耗方面技术与实践的重视。汽轮机组的热耗率是衡量热力发电厂机组效益的重要指标。降低机组的热耗率、优化汽轮机的运行对热力发电厂机组运行、电厂经济指标乃至整个国家电网稳定运行都有十分重要的作用。

参考文献：

［1］陈奕琴，范乃军.我国电力科技现状与发展趋势分析［J］.中国高新技术企业，2013（5）：3-5.Chen Y Q，Fan N J.Situation and development trend analysis of China's power science and technology［J］.Chinese High-tech Enterprise，2013（5）：3-5.

［2］任天龙.汽轮机热力性能试验不明漏量对热耗率计算公式的影响［J］.热力透平，2005，34（4）：220-222，264.Ren T L.Effect of the Unknown Flow of Turbine Performance Test on Heat Rate Calculation Formula［J］.Thermal Turbine，2005，34（4）：220-222，264.

［3］美国机械工程师协会.ASME PTC6-1996—汽轮机性能试验规程［S］.西安：热力发电设备及材料质量检验及测试中心，1998.American Society of Mechanical Engineers.ASME PTC6-1996-Performance Testing Code on Steam Turbines［S］.Xi'an：Thermal Power Generation Equipment and Material Quality Inspection and Test Center，1998.

［4］王兴平.发电设备性能试验规程ASME PTC6与ASME PTC46的特点及适用范围［J］.动力工程，2003，23 （1）：2135-2138.Wang X P.The Characteristics and Applied Limits for the Test Code ASME PTC6 and ASME PTC46［J］.Power Engineering，2003，23（1）：2135-2138.

［5］杨宇，史进渊，邓志成，汪勇.汽轮机性能试验的系统修正中抽汽压力和焓修正的研究［J］.汽轮机技术，2012，54（5）：327-32，333.Yang Y，Shi J Y，Deng Z C，Wang Y.Research on Corrections of Extraction Steam Pressure and Enthalpy in System Corrections of Perforance Test for Steam Turbines［J］.Turbine Technology，2012，54（5）：327-329，333.

［6］杨柯，孔繁虹.基于ADO技术在城市轨道交通管理系统中的应用［J］.城市道桥与防洪，2012（3）：186-188.YANG K，KONG F.Based on ADO Technology in Urban Rail Traffic Management System［J］.Urban Roads Bridges & Flood Control，2012（3）：186-188.

［7］王祥瑞，黄国华.ADO数据库访问技术［J］.长春大学学报（自然科学版），2010，20（1）：62-63.WANG X，HUANG G.A technique of accessing database by using ADO［J］.JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY，2010，20（1）：62-63.

［8］杨勇平，杨志平，徐钢，王宁玲.中国火力发电能耗状况及展望［J］.中国电机工程学报，2013，33（23）：1-11.Yang Y P，Yang Z P，Xu G，Wang N L.Situation and Prospect of Energy Consumption for China’s Thermal Power Generation［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33 （23）：1-11.

［9］张绍波.构建现代能源新体系—《能源发展“十二五”规划》解读［J］.中国石油企业，2012（11）：30-33.Zhang S B.Build a New Modern Energy System—Interpretation of《Energy Development”Twelve-Five”》［J］.China Petroleum Enterprise，2012（11）：30-33.

·微机应用·

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

中图分类号：TP311

文献标识码：A

文章编号：1002-2279（2016）02-0065-05

作者简介：周悦（1990-），女，福建省福州市人，硕士研究生，主研方向：物联网技术与应用。

收稿日期：2015-05-19