燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能計算平臺界面開發(fā)

王 巍，呂榮陽，毛晨旭，王曉放，吉奎栓，孫洪洋，李 揚

（1.大連理工大學海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室，大連116024；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所,沈陽110015）

0 引言

電站系統(tǒng)熱力性能計算是電站設計建造的必要環(huán)節(jié),也是設備選型及優(yōu)化評估的重要依據(jù)。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組作為1種很有發(fā)展前景的發(fā)電技術[1-2]，其結構流程復雜，參數(shù)龐大，設計計算過程反復迭代、工作量大。通常采用Fortran等結構化程序語言編寫熱力計算程序,進行快速計算，但由于此類語言是在DOS環(huán)境下運行,需要一定格式的數(shù)據(jù)文件輸入，運算過程相當繁瑣，不形象直觀，擴展性差[3]。隨著現(xiàn)代電站容量的增大，其系統(tǒng)流程及設計計算也越來越復雜，亟需1種圖形化、智能化、可擴展的設計計算軟件。

國外在該類型軟件的研發(fā)上起步較早，目前在許多產品技術上已經成熟，如GateCycle、GT_pro等。這些軟件在熱力系統(tǒng)建模與分析、功能模塊和圖形用戶界面上具有很大優(yōu)勢，但國外公司為保護自身的經濟利益，多數(shù)軟件都不開放源代碼，即不提供二次開發(fā)的接口，故調整或增加新的功能、滿足用戶個性化需求十分困難。國內相關科研單位也開展了該領域的研究，開發(fā)出一系列軟件。具有代表性的中國科學院工程熱物理研究所和華北電力大學在系統(tǒng)模塊化建模及機組性能分析算法上開展大量研究，并開發(fā)出相應的在線性能試驗和動態(tài)仿真軟件[4-6]；清華大學研制開發(fā)的可視化熱力計算設計系統(tǒng)TH-CIDS[7]擅長常規(guī)電站熱力系統(tǒng)仿真及設計，但在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)設計方面卻不突出，并且使用該軟件需要熟悉所要計算熱動力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，對用戶專業(yè)知識要求較高。

本文參考以上軟件設計及用戶實際需求，以精確度、個性化和二次擴展性為目標，通過分析聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，采用Fortran編譯熱力性能計算模塊，運用C#面向對象編程技術，個性化地增加了便捷的輸入輸出、靈敏度分析、與自主開發(fā)的計算模塊直接對接、圖形繪制等功能，研制開發(fā)了具有圖形化、智能化，適合于聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能計算的軟件。

1 系統(tǒng)功能設計

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[8-9]是1個涉及到燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機、凝汽器及相關輔機的復雜的熱力系統(tǒng)。

燃氣輪機（GT）的排氣溫度相當高（一般為400～600℃），而且其工質的流量非常大。若利用燃氣輪機排氣來加熱余熱鍋爐（HRSG）以產生高溫高壓蒸汽，送到汽輪機（ST）來增加系統(tǒng)作功，形成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，從而提高循環(huán)效率。以雙壓無再熱為例，典型流程如圖1所示。余熱鍋爐系統(tǒng)包括省煤器E、蒸發(fā)器B及過熱器S，在不同的流程中還分高壓HP、中壓MP、低壓LP以及再熱器R，這些換熱器的數(shù)量及組合方式決定著鍋爐效率的高低，也影響著整個系統(tǒng)的性能[10]。

圖1 雙壓無再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

本文基于質量守恒及能量守恒定律，依據(jù)熱力循環(huán)的溫區(qū)思想開發(fā)出獨立的性能計算模塊；同時鑒于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的自身特點，如流程結構的多樣性以及設計參數(shù)需要優(yōu)化，還需兼顧軟件的二次開發(fā)和功能擴展。因此，該軟件基于面向對象思想，采用混合編程技術充分實現(xiàn)用戶所要求的功能及個性化設計。由于用戶提供具有自主知識產權的燃氣輪機源程序計算接口，該軟件只涉及余熱鍋爐、汽輪機及其輔機的計算和設計，留出相應接口以對接燃氣輪機源程序。軟件要實現(xiàn)對聯(lián)合循環(huán)的流程選擇、性能計算、各點參數(shù)輸出、靈敏度分析及相關曲線的繪制，程序框架如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊框架

2 混合編程技術

2.1 開發(fā)環(huán)境語言

Fortran語言是世界上最早出現(xiàn)的計算機高級程序設計語言，廣泛應用于工程計算領域，在60年的科研過程中積累了許多成熟且穩(wěn)定的Fortran計算源程序。但Fortran也有其缺點，如無法開發(fā)出高效、友好的用戶交互界面。Fortran95/2003提供了面向對象的思想和實現(xiàn)方法，但在人機交互方面不如其它面向對象語言方便。

相比于傳統(tǒng)的基于過程的編程技術,面向對象編程(OOP)已發(fā)展成為當今主流的軟件開發(fā)方法,程序結構更加合理,易于開發(fā)。因此,面向對象編程是克服大型電力系統(tǒng)分析程序難維護、發(fā)展與更新的1種選擇[11]。C#是微軟公司發(fā)布的1種由C和C++衍生出來、面向對象、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言。在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些復雜特性，同時綜合了VB簡單的可視化操作和便捷的面向組件編程，成為軟件開發(fā)的優(yōu)秀語言。

本文開發(fā)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱力性能計算平臺軟件基于Fortran語言編譯核心計算程序，利用C#語言編譯軟件的人機交互界面，以充分發(fā)揮Fortran易于科學計算和C#在界面編寫以及文件數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點。

2.2 混合編程技術

C#與Fortran的混合編程是利用這2種語言編寫的源代碼構建程序模塊的過程。首先通過Fortran程序編寫相應的算法計算子程序并生成動態(tài)鏈接庫，然后利用C#編寫的界面窗體程序調用Fortran生成的DLL文件，從而完成相關參數(shù)的傳遞以及計算處理。其難點是由于各種高級語言調用不一致而導致參數(shù)傳遞失敗。

在C#中要實現(xiàn)對Fortran編譯的DLL文件的調用，必須協(xié)調好調用程序和被調用程序之間的調用約定。這些調用約定主要有以下4方面：堆棧管理約定、命名約定、參數(shù)傳遞約定以及數(shù)組和字符串的傳遞約定[12]。本文使用的Fortran的編譯器為Compaq Visual Fortran 6.6，C#的編譯器為 Microsoft Visual Studio 2005，操作系統(tǒng)平臺為Windows 7。

3 軟件功能實現(xiàn)

由以上軟件需求分析所要求的功能，運用面向對象思想，將相關功能一一抽象化、模塊化并封裝，開發(fā)出相應的類與接口，每類與接口實現(xiàn)某一功能。面向對象技術使開發(fā)人員可以完全按照用戶需求的功能在程序中構造與之相關的類[13]。只需明確各類的功能以及它們之間的關系，通過繼承和消息通信，軟件開發(fā)人員即可方便快捷地設計軟件。同時，如果用戶需要增、刪或修改軟件的功能時，通常不會引起軟件整體結構的變化，往往只需對與該功能相關的類進行操作即可實現(xiàn)。該軟件總體基類的設計如圖3所示。

圖3 基類及其子類的實現(xiàn)

基類FormBase包含了軟件功能實現(xiàn)的所有子類，在各子類中進行實現(xiàn)其相應的功能代碼編寫，繪制所需界面控件并綁定以上相應的類，即可實現(xiàn)程序可視化計算。這些開發(fā)好的類在后續(xù)程序編寫中可以重復使用，而不需要重復編寫。具體重復使用的方法有2種：創(chuàng)建該類的實例，直接使用該類；派生出1個子類，且可新增所需數(shù)據(jù)和行為。

3.1 性能計算模塊種類的設計

由于聯(lián)合循環(huán)機組流程中各模塊功能的復雜性，且C#不支持多繼承，程序將多數(shù)類函數(shù)提取為接口以滿足功能的多重實現(xiàn)?；旌暇幊痰膶崿F(xiàn)需要計算編譯與界面開發(fā)程序的對接，該軟件性能計算的接口類IDataCalculation繼承關系如圖4所示。類的繼承性可以讓相似的對象共享程序代碼和數(shù)據(jù)結構，從而減少代碼的冗余，提高軟件的可重用性。5個子類繼承來自父類的2個方法函數(shù)，而不需重復編寫。

圖4 熱力性能計算模塊的實現(xiàn)

計算模塊中三壓再熱系統(tǒng)流程計算子類的封裝如圖5所示，包括該功能計算實現(xiàn)所需要的字段屬性及函數(shù)方法。類的封裝可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)訪問權限的合理控制,保證對象的獨立性，使程序中不同部分之間的相互影響減小到最低，可以增強程序的安全性。

圖5 三壓再熱計算子類成員

3.2 系統(tǒng)熱力性能計算方法設計計算的步驟如下：

（1）根據(jù)燃氣輪機參數(shù)，參考各公司給出的流程和參數(shù)，預選流程和蒸汽參數(shù)；

（2）根據(jù)工程項目實際情況，選擇合適的節(jié)點溫差、接近點溫差等相關設計參數(shù)；

（3）進行性能計算求解，得到各關鍵參數(shù)進行系統(tǒng)分析；

（4）如果得到滿意的計算結果，輸出相關參數(shù)表和流程圖；否則重復（1）～（3）進行分析，或者多方案對比優(yōu)化。

流程軟件運行計算算法流程如圖6所示。

圖6 流程計算算法流程

3.3 計算源程序開發(fā)

電廠熱力系統(tǒng)熱經濟性分析[14]是電廠效率計算的理論基礎。常規(guī)熱平衡法是熱力學第一定律在電廠熱力系統(tǒng)計算中的直接表述，是1種單純的質量平衡和能量平衡方法，優(yōu)點是概念清晰、精度很高。

聯(lián)合循環(huán)電站的效率主要取決于燃氣輪機效率，燃氣輪機的熱力參數(shù)決定了后續(xù)設備的蒸汽參數(shù)和運行方式，所以聯(lián)合循環(huán)熱力計算必須在燃氣輪機型號、參數(shù)選定的前提下開展余熱鍋爐和汽輪機的計算。余熱鍋爐是由包括省煤器、蒸發(fā)器及過熱器在內的多種換熱器構成的換熱系統(tǒng)，在流程結構已定情況下，本程序采用換熱模塊溫區(qū)思想[15]進行發(fā)電廠原則性熱力計算，如各模塊節(jié)點的溫度、鍋爐效率、聯(lián)合循環(huán)效率等。

性能計算包括5類流程計算方程組，由Fortran編寫具體計算方法求得并生成相應的動態(tài)鏈接庫DLL，便于后續(xù)計算程序修改及二次開發(fā)。Fortran程序編程實現(xiàn)如圖7所示。

圖7 Fortran程序計算模塊

4 軟件界面形式

整個程序界面可分為幾部分:主界面、燃氣輪機參數(shù)輸入界面、循環(huán)計算界面、靈敏度分析曲線繪制界面、方案比較界面和導出保存界面等。每個界面簡潔美觀、使用方便：如基于軟件需求和目前軟件設計的發(fā)展趨勢,軟件采用WinFormsUI布局開源控件實現(xiàn)多文檔界面,即在同一程序實例中打開多個框架窗口的模式，功能更強大，可擴展性更強，如圖8所示；對需要大量錄入的循環(huán)數(shù)據(jù),將其分類加以標簽區(qū)分，如圖9所示；除了數(shù)據(jù)導出、保存等，軟件還添加曲線繪制功能以實現(xiàn)相關變量的數(shù)據(jù)分析，如圖10所示。該功能采用ZedGraph開源的.NET圖表類庫，全部代碼都用C#開發(fā)，可以利用任意數(shù)據(jù)集合創(chuàng)建2D的線性和柱形圖表；某一聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的流程圖界面如圖11所示，形象直觀地反映了該設計工況下的特性。

圖8 總體界面及燃氣輪機參數(shù)讀取界面

圖9 循環(huán)參數(shù)輸入輸出及計算界面

圖10 靈敏度曲線繪制界面

圖11 單壓聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程圖界面

5 性能計算實例校核

針對本文算法，以雙壓無再熱系統(tǒng)流程為例，與Gatecycle進行參數(shù)對比校核，見表1。

表1 Fortran程序與Gatecycle軟件計算結果對比

由以上對比參數(shù)可得，程序計算的精度基本滿足要求，同時程序中也自行添加一些性能參數(shù)，直接計算求出，提高了系統(tǒng)計算設計的便捷性。

6 結束語

目前，聯(lián)合循環(huán)熱力性能計算平臺軟件實現(xiàn)的功能較符合項目需求，界面簡潔，使用方便，并能滿足用戶的個性化設計，計算精度也能達到工程要求。該軟件能夠在電站的設計期和運行期提供設備選型、運行參數(shù)選取、后期優(yōu)化以及變工況的性能分析等工作，完成電站相關經濟性分析和性能評估，為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的設計和優(yōu)化提供有益指導。

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