基于Excel的汽輪機熱力特性計算工具

河北建投承德熱電有限責任公司 李長松

伴隨國家電力事業迅速發展，新建大容量汽輪發電機組迅速增加，電廠對機組的經濟性要求越來越高。而汽輪機熱力性能試驗對汽輪機設計和制造技術的發展和進步、汽輪機組的運行優化、狀態監測及評估、技術改造、經濟性和安全性評價等方面起到重要的作用。為適應日趨增加的汽輪機熱力特性試驗工作任務，有必要采用更高效、準確、使用方便的熱力試驗計算工具。

1 Excel 應用軟件及VBA

Excel 為微軟Office 辦公軟件的表格處理程序，它的基本功能是數據記錄、計算與分析，生成報表及圖表，更適于進行專業科學統計運算及大量數據的計算分析。VBA 全稱Visual Basic For Application，是建立在Office 中的一種應用程序開發工具。Excel 本身內置大量函數，但對于一些復雜、特殊的數據處理或運算并不實用，VBA 可以對Excel 進行二次開發，有效地自定義和擴展Excel 的功能。

2 汽輪機熱力試驗工具

本計算工具設計為進行汽輪機考核試驗，因此主計算流程完全符合ASME PTC6-1996全面試驗要求。本計算工具主要功能包括IAPWS-IF97或IFC67選擇、數據輸入與處理、輔助流量計算與整理、不明泄漏率計算、試驗熱力特性計算、一類修正、修正曲線處理、二類修正、其它修正計算、邏輯關系查詢、膨脹曲線繪制、數據輸出、輔助熱力系統定量分析等。由于汽輪機熱力特性試驗計算數據量大、計算繁瑣，因此本計算工具以試驗計算流程及熱力系統劃分模塊，模塊內數據及計算集中布置并行列歸類，所有主要計算模塊按邏輯關系就近布置在同一張表單內，方便查找邏輯關系、發現問題及修改。

本汽輪機熱力試驗計算工具采用成熟的水和水蒸汽性質計算模塊，該模塊做成動態鏈接庫（Dll），同時包含IFC-67公式和IAPWS-IF97公式，通過VBA 程序調用動態鏈接庫，實現水和水蒸汽公式及函數調用，在計算過程中，通過切換計算公式標準功能可方便地選擇采用IFC-67公式或IAPWSIF97公式計算，這就使本計算工具適用于采用不同水和水蒸氣性質計算公式的機組，對于采用IFC-67公式計算的機組，可對比該機組采用IFC-67公式和IAPWS-IF97公式計算結果的差別，根據試驗數據差距分析在今后計算中改用IAPWS-IF97公式計算。

2.1 數據輸入與處理

汽輪機熱力特性試驗數據量大，試驗通常采用數據采集系統，試驗結束后將試驗結果通過Excel加載宏導入本計算工具；本計算工具可實現試驗過程中在線監測機組熱力特性試驗，配合數據采集系統及DDE 動態數據連接，在試驗過程中實時導入試驗數據，在線計算機組當前熱力特性，包括機組試驗熱耗、各缸缸效率、排汽焓、主再熱器壓損、抽汽管道壓損、加熱器端差及溫升、繪制機組膨脹曲線等。

在線計算功能，可在試驗前根據在線計算結果發現試驗存在的測點問題，掌握機組熱力系統的基本情況以便及時采取應對措施，確保試驗正確性、準確性及高效率。需說明的是，在線計算應采用給水流量作為主流量的計算方式。在線計算同樣可進行機組一類及二類修正，但只作為試驗過程中的參考。對于試驗結束后導入的數據通過數據處理模塊處理，處理內容包括選取試驗有效時間段、判斷數據有效性、測點試驗值確定。數據處理模塊為在VBA 中編寫的宏，對導入的數據進行批量處理，所用函數均為Excel 集成函數。

2.2 輔助流量計算與整理

工具中的流量計算采用流量計算模塊完成，通過調用流量計算模塊中的函數，可計算出不同流量測量裝置的流量。流量計算模塊設計符合GB/T 2624《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》。可計算流量包括ASME 噴嘴、1932噴嘴、長徑噴嘴、孔板、文丘里噴嘴。

汽輪機熱力特性計算中的輔助流量較多，且不同機組輔助流量管道布置不同，計算過程中易出錯。本計算工具將輔助流量集中在一個模塊中處理，模塊為表格形式，表格行為不同輔助流量、列為不同輔助流量匯入或流出處，表格最后一行分別為輔助流匯入熱力系統各抽汽段流量總和，表格最左側為輔助流量攜帶流出汽輪機的能量，且模塊中用藍色表示輔助流量出汽輪機的流量或能量、用紅色表示進入汽輪機的流量或能量，這樣將輔助流量分布在二維表格中并按行列歸類求和，在主機能量及流量平衡計算過程中只用到輔助流量模塊的求和項。當熱力系統發生變化時，計算前將輔助流量數據按照實際熱力系統布置鏈接到輔助流量模塊對應單元格即可完成輔助流量處理，在其它計算步驟中不必考慮，這樣只要將各個輔助流量正確的鏈接到輔助流量模塊表格內，就不會因輔助流量造成計算結果錯誤或誤差。

2.3 不明泄漏率計算

此模塊用于計算試驗過程中，機組不明泄漏率及泄漏量，汽機側、鍋爐側不明泄漏量分配，模塊根據凝汽器、除氧器、汽包（如有）幾何尺寸，試驗期間水位變化及試驗期間汽水參數計算機組不明泄漏量等。

2.4 試驗熱力特性計算

此汽輪機熱力系統計算工具包括回熱系統計算、主機流量及能量平衡計算兩部大部分。回熱系統計算模塊可切換至給水流量為主流量進行計算，但默認采用凝結水為主流量。兩個模塊中回熱系統計算模塊每一列為一個加熱器，并排8列分別為3臺高加、除氧器及4臺低加，每列最后顯示試驗加熱器上下端差及抽汽壓損；主機流量及能量平衡模塊每行為一段抽汽或進、排汽，參數由高到低排列，每行最后一個單元格顯示試驗缸效率或管道壓損。兩個模塊布置相對集中，便于查找邏輯關系及修改。主機流量及能量平衡模塊中紅色的單元格表示進入汽輪機的能量或流量，藍色表示流出汽輪機的能量或流量，以方便計算整機能量、流量平衡計算。

計算高加、除氧器及低加時需假設給水流量及膨脹線終點焓（ELEP），并迭代確定最終給水流量，計算ELEP 還需計算機組能力平衡，最終迭代確定。具體計算方法這里不詳述。需指出的是在Excel 中迭代計算的方法，采用Excel 集成的單變量求解功能，在模塊中添加迭代按鈕，單擊按鈕執行迭代過程代碼，完成機組試驗熱力特性計算，迭代過程代碼如下：

Private Sub CommandButton2_Click()（回車）Range(“F37”).GoalSeek Goal:=0,ChangingCell:=Range(“F35”)（回車）Range(“F38”).GoalSeek Go al:=0,ChangingCell:=Range(“F36”)（回車）End Sub

低加計算中末兩級低加抽汽有可能是濕蒸汽，過熱度不足15℃，而不能直接求出抽汽焓，此時應由試驗低壓缸膨脹曲線及試驗抽汽段壓力確定，計算過程中先預設ELEP，然后根據試驗低壓缸進汽點、膨脹線終點所確定的膨脹曲線（直線）及試驗段抽汽壓力查得抽汽段焓值，本計算工具采用VBA函數實現，函數參數包括低壓缸進汽點參數、膨脹線終點參數、試驗抽汽段參數，調用函數時函數先計算抽汽段蒸汽過熱度，如過熱度大于15℃則根據抽汽段溫度壓力直接求出抽汽段焓值，如過熱度小于15℃則根據試驗低壓缸進汽點、膨脹線終點所確定的膨脹曲線（直線）及試驗段抽汽壓力查得抽汽段焓值，具體采用二分法迭代，先選取低壓缸膨脹線中點熵值，比較此熵值和抽汽段壓力確定的焓值與此熵值對應低壓缸膨脹線焓值的大小，從而確定下一次迭代區間并進行下一次迭代，直至比較兩個焓值差達到精度要求以內。此函數可自動判斷抽汽段過熱度，選擇如何計算試驗抽汽段焓值，提高了試驗計算的效率。

2.5 一類修正計算

第一類修正又稱為系統修正，一類修正包括加熱器端差、抽汽管道壓損及散熱損失、系統儲水量變化、凝泵及給水泵焓升、凝結水過冷度、補水流量、鍋爐減溫水等。第一類修正是將試驗循環修正到規定循環，具體修正方法這里不詳述。第一類修正采用迭代算法，本計算工具為實現迭代功能設計了迭代模塊。模塊中有試驗數據表、迭代輸入表、迭代輸出表，試驗數據表內為機組試驗熱力特性數據，迭代輸入表內為迭代輸入數據，迭代輸出表內為迭代輸出數據。通過VBA 編寫宏可方便地實現迭代過程。迭代最終只顯示最總一次迭代輸入與輸出數據，迭代終止條件為迭代輸入機組各段抽汽壓力與迭代輸出壓力之比均小于0.01%。

具體代碼如下：Private Sub Command Button3_Click()（回車）Dimi As Integer（回車）i=1（回車）Range(“G45:I59”).Select（回車）Selection.Copy（回車）Range(“B45:D59”).Select（回車）Selection.PasteSpecial Past e:=xlPasteValues,Operation:=xlNone,SkipBlanks_（回車）:=False,Transpose:=False（回車）Application.CutCopyMode=False（回車）ActiveSheet.Calculate（回車）Do While Cells(58,5)>0.0001（回車）Range(“B62:D76”).Select（回車）Selection.Copy（回車）Range(“B45:D59”).Select（回車）Selection.PasteSpecial Paste:=xlPasteValues,Opera tion:=xlNone,SkipBlanks_（回車）:=False,Transpose:=False（回車）Application.CutCopyMode=False（回車）ActiveSheet.Calculate（回車）i=i+1（回車）If i>100 Then（回車）Exit Do（回車）End If（回車）Loop（回車）End Sub

一類修正時為保證汽輪機各缸效率不變，膨脹線為分段確定，先確定主蒸汽、高排參數不變。其次ELEP 不變，因此對于低壓缸，當新的進汽壓力確定后，進汽焓的確定要保證低壓缸效率（對ELEP 點）不變，根據連通管壓降確定中排壓力，中壓缸排汽焓等于低壓缸進汽焓，這樣中壓缸排汽點隨之確定。同樣，再熱器焓仍然是中壓缸排汽壓力、排汽焓、新的再熱器壓力和試驗缸效率下得出[1]。

本計算工具中低壓缸進汽焓和再熱器焓同樣采用函數調用計算，一類修正過程中各段抽汽焓通過抽汽段壓力、對應缸的膨脹曲線確定。函數調用參數包括對應缸體的進、排汽壓力及焓，抽汽段壓力，程序實現方法參考試驗熱力特性計算中末兩級抽汽焓計算函數。

2.6 膨脹曲線繪制

汽輪機膨脹過程線直觀反映汽輪機熱力特性。本熱力試驗工具可繪制試驗汽輪機膨脹過程線及一類修正機組膨脹過程線。汽輪機膨脹過程線繪制采用EXCEL 的圖表繪制功能。膨脹過程線繪制可在在線試驗過程中繪制，有助于試驗過程中觀察及了解機組熱力特性，及時發現機組缺陷及試驗測點問題；本工具可繪制一類修正后汽輪機膨脹線，同時通過對比試驗汽輪機膨脹線并對一類修正各段抽汽焓進行調整，使一類修正膨脹線趨勢趨于試驗膨脹線，這樣一類修正過程中各段抽汽焓確定更符合機組實際熱力特性。

2.7 邏輯關系查詢

汽輪機熱力特性試驗計算數據量大、計算繁瑣，為方便試驗人員修改及查錯，本工具具有邏輯關系查詢功能，此功能運用Excel 的追蹤引用單元格及從屬單元格函數為基礎，通過VBA 編程并設置操作快捷鍵，方便使用本計算工具的用戶進行熱力特性計算的邏輯關系查找、修改，尤其便于多單元格邏輯關系查看操作。

2.8 其他功能

本計算工具還包括二類修正、其它修正計算、數據輸出、輔助熱力系統定量分析等功能。

3 結語

本汽輪機熱力試驗計算工具基于Excel 的開發，計算過程符合ASME PTC6—1996試驗規程要求，以Excel 為主界面并結合VBA 編程完成。計算可以選擇采用水、水蒸汽熱力學性指標IAPWS-IF97或IFC67。希望通過本計算工具可提高汽輪機熱力試驗計算正確性及效率。本工具設計完成時間比較短，先后分別用于不同機組考核試驗及機組改造試驗，并在使用過程中不斷修改、完善并擴展，使用的過程中能夠做到計算的準確、便捷及高效。