[发明专利]一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时控制方法，尤其是涉及一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制算法。属于热工自动控制领域。

背景技术

蒸汽动力工程相关领域的设备和系统的设计制造、生产运行以及性能分析和试验研究过程中均离不开水和蒸汽性质的计算。国际水和水蒸汽热力性质学会(IAPWS)于1997年通过并于1998年发表了新的工业用水和水蒸汽热力性质计算公式IAPWS-IF97。与原来的IFC67公式比较，该公式具有很多优点，已成为新的国际标准^[1]。

进行水和蒸汽性质计算的方法通常有二种：(一)建立电子数据表格，采用4点线性插值法、9点抛物线插值法或其它插值算法，自动选取最接近的有关点通过插值得到结果；(二)采用国际协会发布的公式或自己根据试验数据拟合的公式进行计算。两种方法对比，插值法计算速度更快，但是需要存储庞大的数据表格而消耗存储空间，而公式法需要复杂公式进行计算，但不需要存储数据表格。国内外不少单位也已经开发出了适合于计算、分析和研究应用的水和蒸汽性质通用计算软件^[2]～[6]。对如水和水蒸汽拟临界温度等IAPWS-IF97没有给出相应计算公式的物性参数，国内外的参考文献也给出了相应的拟合计算公式^[7]～[9]。

由于国内外大部分的计算机分散控制系统DCS都开发于上世纪80年代初，当时的微处理器CPU的实时处理和存储能力还很难满足IFC67这样复杂的计算需要，因此，大部分的DCS都没有提供水和蒸汽性质计算功能，尽管随着计算机技术的飞速发展，DCS的软、硬件平台先后经过了数代升级。但由于向下兼容的原因，很多DCS的实时控制软件结构和算法并没有发生大的变化。一些在电厂自动化领域应用较多的DCS厂商虽然已经提供了基于IFC67的标准控制算法，但多采用的是插值方法，功能和精度和目前的技术水平并不相称。上世纪90年代末期在消化吸收国外产品技术基础上开发的各种国产DCS系统，在这方面的功能也都没有大的改进。

目前，国内新建的火电机组大多为高效清洁的超临界参数燃煤机组。由于结构和工作原理上的区别，超临界机组所采用的直流锅炉的启动、停机以及运行过程的控制和参数调节与国内原来应用较多的亚临界汽包锅炉相比要复杂得多，具有更明显的多变量、非线性、和强耦合特性。尤其是采用变压运行的超(超)临界直流锅炉，锅炉内的工质会从亚临界变化到超临界状态。在亚临界时，工质的加热区段有热水段，蒸发段和过热段；随着锅炉运行压力升高到临界点时，水直接变为蒸汽，汽化潜热为零，直流锅炉内的工质不再有汽液两相共存的蒸发段。因此，超(超)临界变压运行锅炉在不同负荷工况下，工质物性会发生显著变化。其机组运行监控和自动控制策略都要求其机组DCS系统能够具备高精度的水和水蒸汽性质的实时计算能力。

同时，在超临界机组招投标、性能验收以及运行试验、仿真分析、优化分析等应用领域，新的水和水蒸汽性质计算方法IAPWS-IF97已得到了越来越多的应用，DCS已经作为各种蒸汽动力设备试验和分析的一种重要技术手段，也应该尽快采用统一标准。

与通用的计算软件完全不同，完整的IAPWS-IF97公式对实时控制仍过于复杂，而且其中的大部分功能在DCS中也非必要。但实时控制却要求更高的计算可靠性，同时要满足原有嵌入式软件算法的模块化和可复用性等基本要求。因此，开发符合DCS特点和控制需要的水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97实时控制算法就具有较强的现实意义。

参考文献：

[1](德)W.瓦格纳(W.Wagner)，(德)A.克鲁泽(A.Kruse)著，项红卫译.水和蒸汽的性质[M].科学出版社，2003

[2]王培红，贾俊颖，程懋华.水和水蒸汽性质的IAPWS-IF97计算模型[J].动力工程.2000(06)

[3]苏明旭，蔡小舒.新的水和水蒸汽热力性质国际标准IAPWS-IF97及计算软件[J].锅炉制造.2000(02)

[4]杨宇，史进渊，丰春芳.水和水蒸汽热力性质动态链接库的开发及在汽轮机中的应用[J].上海汽轮机.2001，79(02)：10-14.

[5]汪国山，朱小星.新的水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS-IF97和计算程序编制[J].汽轮机技术，2005，47(3)：161-167.

[6]吴燕玲，钟崴，童水光，周鸿波.IAPWS-IF97水和水蒸汽性质计算方法的补充模型及应用[J].热力发电.2008(03)