燃氣-蒸汽聯合循環性能計算平臺界面開發

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能教育部重點實驗室，大連116024；2.中國航發沈陽發動機研究所,沈陽110015）

0 引言

電站系統熱力性能計算是電站設計建造的必要環節,也是設備選型及優化評估的重要依據。燃氣-蒸汽聯合循環機組作為1種很有發展前景的發電技術[1-2]，其結構流程復雜，參數龐大，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環境下運行,需要一定格式的數據文件輸入，運算過程相當繁瑣，不形象直觀，擴展性差[3]。隨著現代電站容量的增大，其系統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建模與分析、功能模塊和圖形用戶界面上具有很大優勢，但國外公司為保護自身的經濟利益，多數軟件都不開放源代碼，即不提供二次開發的接口，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模塊化建模及機組性能分析算法上開展大量研究，并開發出相應的在線性能試驗和動態仿真軟件[4-6]；清華大學研制開發的可視化熱力計算設計系統TH-CIDS[7]擅長常規電站熱力系統仿真及設計，但在聯合循環系統設計方面卻不突出，并且使用該軟件需要熟悉所要計算熱動力系統的系統圖，對用戶專業知識要求較高。

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，通過分析聯合循環系統，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、與自主開發的計算模塊直接對接、圖形繪制等功能，研制開發了具有圖形化、智能化，適合于聯合循環機組熱力性能計算的軟件。

1 系統功能設計

燃氣-蒸汽聯合循環裝置[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。

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）來增加系統作功，形成燃氣-蒸汽聯合循環，從而提高循環效率。以雙壓無再熱為例，典型流程如圖1所示。余熱鍋爐系統包括省煤器E、蒸發器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，這些換熱器的數量及組合方式決定著鍋爐效率的高低，也影響著整個系統的性能[10]。

圖1 雙壓無再熱燃氣-蒸汽聯合循環系統

本文基于質量守恒及能量守恒定律，依據熱力循環的溫區思想開發出獨立的性能計算模塊；同時鑒于聯合循環系統的自身特點，如流程結構的多樣性以及設計參數需要優化，還需兼顧軟件的二次開發和功能擴展。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。軟件要實現對聯合循環的流程選擇、性能計算、各點參數輸出、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 開發環境語言

Fortran語言是世界上最早出現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定的Fortran計算源程序。但Fortran也有其缺點，如無法開發出高效、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。

相比于傳統的基于過程的編程技術,面向對象編程(OOP)已發展成為當今主流的軟件開發方法,程序結構更加合理,易于開發。因此,面向對象編程是克服大型電力系統分析程序難維護、發展與更新的1種選擇[11]。C#是微軟公司發布的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，成為軟件開發的優秀語言。

本文開發的燃氣-蒸汽聯合循環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，以充分發揮Fortran易于科學計算和C#在界面編寫以及文件數據處理的優點。

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傳遞失敗。

在C#中要實現對Fortran編譯的DLL文件的調用，必須協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、參數傳遞約定以及數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，操作系統平臺為Windows 7。

3 軟件功能實現

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，開發出相應的類與接口，每類與接口實現某一功能。面向對象技術使開發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。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

基類FormBase包含了軟件功能實現的所有子類，在各子類中進行實現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，即可實現程序可視化計算。這些開發好的類在后續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，且可新增所需數據和行為。

3.1 性能計算模塊種類的設計

由于聯合循環機組流程中各模塊功能的復雜性，且C#不支持多繼承，程序將多數類函數提取為接口以滿足功能的多重實現。混合編程的實現需要計算編譯與界面開發程序的對接，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據結構，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，而不需重復編寫。

圖4 熱力性能計算模塊的實現

計算模塊中三壓再熱系統流程計算子類的封裝如圖5所示，包括該功能計算實現所需要的字段屬性及函數方法。類的封裝可以實現對數據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 系統熱力性能計算方法設計計算的步驟如下：

（1）根據燃氣輪機參數，參考各公司給出的流程和參數，預選流程和蒸汽參數；

（2）根據工程項目實際情況，選擇合適的節點溫差、接近點溫差等相關設計參數；

（3）進行性能計算求解，得到各關鍵參數進行系統分析；

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

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

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

聯合循環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決定了后續設備的蒸汽參數和運行方式，所以聯合循環熱力計算必須在燃氣輪機型號、參數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、蒸發器及過熱器在內的多種換熱器構成的換熱系統，在流程結構已定情況下，本程序采用換熱模塊溫區思想[15]進行發電廠原則性熱力計算，如各模塊節點的溫度、鍋爐效率、聯合循環效率等。

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鏈接庫DLL，便于后續計算程序修改及二次開發。Fortran程序編程實現如圖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、燃氣輪機參數輸入界面、循環計算界面、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展趨勢,軟件采用WinFormsUI布局開源控件實現多文檔界面,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數據,將其分類加以標簽區分，如圖9所示；除了數據導出、保存等，軟件還添加曲線繪制功能以實現相關變量的數據分析，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，可以利用任意數據集合創建2D的線性和柱形圖表；某一聯合循環系統的流程圖界面如圖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讀取界面

圖9 循環參數輸入輸出及計算界面

圖10 靈敏度曲線繪制界面

圖11 單壓聯合循環系統流程圖界面

5 性能計算實例校核

針對本文算法，以雙壓無再熱系統流程為例，與Gatecycle進行參數對比校核，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，直接計算求出，提高了系統計算設計的便捷性。

6 結束語

目前，聯合循環熱力性能計算平臺軟件實現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、運行參數選取、后期優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-蒸汽聯合循環機組的設計和優化提供有益指導。

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