CN102541025B - 一种基于水和水蒸汽热力性质iapws-if97的实时控制方法 - Google Patents

一种基于水和水蒸汽热力性质iapws-if97的实时控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制算法。该算法从工程实用和安全可靠的角度对IAPWS-IF97的公式进行了模块化处理，能够在较小计算负荷量的情况下完成最常见的水和水蒸汽热力性质计算。适合于应用在各种过程控制系统中完成高精度的水和水蒸汽热力性质计算，尤其是针对于目前变压运行的超临界机组运行监控的需要，弥补了现有自动控制系统在水和水蒸汽热力性质在线计算功能上的不足。

Description

一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法
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：㈠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；㈡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：
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发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出一种符合DCS系统软硬件结构和变压运行超临界机组运行监控特点的IAPWS-IF97实时控制算法。
本发明的技术方案具体是按照以下方法实现的：采用通用C语言或过程控制系统⑿提供的用户编程语言编制的实时计算模块⑽运行于过程控制系统⑿的过程控制器⒀中，可以根据过程控制器⒀中的任一水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点依据水和水蒸汽热力性质标准IAPWS-IF97以及拟合公式实时计算并输出对应的水和水蒸汽焓⑶、饱和温度⑷、拟临界温度⑸和IAPWS-IF97中的2/3区分界线温度⑹，以及对应于水和水蒸汽温度⑵的饱和压力⑺；同时，实时计算模块⑽还包括一组通过计算和判断得到的状态输出⑻；
采用通用C/C++语言编程或过程控制系统⑿提供的用户编程语言编制的并运行于过程控制系统⑿人机接口站⒁上的在线监控模块⑾可以显示实时计算模块⑽的输入和所有计算输出，并可以通过在线监控模块⑾对实时计算模块⑽完成计算所需的一组预置参数⑼进行设置。
其中，该算法的状态输出⑻为一个4位的二进制数，其中由高到低的各位分别为以1和0表征的算法输出质量、输入错误、计算越限和工质物性状态转换标识。
通过在线监控模块⑾输入到实时计算模块⑽的预置参数⑼包括：①实时计算模块⑽的缺省模式和全部输出的缺省值：当算法出现输入错误、计算越限错误时，实时计算模块⑽的输出⑶～⑺将按照缺省模式设置为上次计算值或预置参数⑼设置的缺省值；②按IAPWS-IF97分区设置的计算区域：当实时计算模块⑽判断出输入的水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点未处于设定的IAPWS-IF97计算子区内时，实时计算模块⑽的计算将停止，并置状态输出⑻的输出质量、计算越限位为真；③工质物性状态转换的输出形式：该设置定义了当工质物性发生变化时，状态输出⑻的工质物性状态转换标识的输出形式，其状态可为每次发生物性变化即发出一个脉冲或一旦发生物性变化就长置为真。
为了确保算法计算的正确性，实时计算模块⑽的水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点输入不仅包括其实时的模拟数值，还包括能够检测出该测点是否存在测量或计算错误，如变送器测量故障或越限的质量位，当上述输入的任一个的质量位表示出错误状态时，实时计算模块⑽将停止计算，并将开关量输出⑻的输出质量、输入错误位的值置为真；
为了提高本发明的适用性，在过程控制系统⑿中的实现方法可以采用两种不同的方式：一种方法是将实时计算模块⑽编译为过程控制器⒀的标准算法功能模块或组态为一个可复用的宏模块，并可通过人机接口站⒁的标准系统软件进行组态、运行、监控和调整。另一种方法是将实时计算模块⑽和在线监控模块⑾作为现有过程控制系统⑿的扩充功能，其中实时计算模块⑽可通过过程控制系统⑿提供的用户扩充工具嵌入过程控制器⒀或人机接口站⒁中并完成实时计算；在线监控模块⑾为一可以为人机接口站⒁提供的开发工具调用的动态链接库。
本发明的有益效果在于所提供的算法能够充分满足超临界参数火力发电机组等的运行监控和实现优化控制策略的需要，具有模块化好、可靠性高和可复用的特点，可以适应不同DCS系统功能扩展的需要。
附图说明
附图1是本发明的算法结构示意图；
附图2是本发明的应用组态示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2对本发明的实施例作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施并给出了具体的实施方案和系统结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
案例一：某电厂660MW超超临界机组的过程控制系统12为具有完全自主知识产权的国产分散控制系统DCS，该系统的过程控制器13（Process Control Unit，PCU）提供了基于C语言的算法扩展功能，采用本发明开发了基于IAPWS-IF97的水和水蒸汽实时计算模块10－IFC97，并对过程控制器PCU的算法链接库进行了重新的编译，升级后的算法其输入/输出信号和可调整参数如附图1所示。因此可以通过该DCS的工程师站上的控制图形组态软件包直接以“所见即所得”的方式在控制逻辑中加入该算法模块，连接所需要计算的水或水蒸汽压力和温度，即可完成相应的计算功能。在操作员站的监控终端LCD上也可以通过图形组态软件包作为在线监控模块11显示算法的实时计算值。
在上述电厂的控制逻辑组态中，采用实时计算模块10完成了直流锅炉中间点焓值和锅炉入口给水焓的实时计算，并作为焓增校正信号参与锅炉燃水比的控制（其实际应用组态如附图2）。同时，算法IFC97实时计算出的中间点的拟临界温度和2/3区分界点温度还分别作为了低负荷工况炉膛燃烧器投入的重要监控量和中间点温度设定点的限幅。由于IAPWS-IF97具有较高边界区域计算准确度，同时本算法的计算结果与锅炉厂提供的设计数据十分吻合，而且采用本发明实现的算法功能，只需要分别各采用一个标准的IFC97模块15、16就完成了超超临界锅炉最重要的两个监控点－分离器和省煤器的水和水蒸汽性质计算，大大地提高了机组运行监控的直观性和便利性。
当测量的压力和温度信号出现现场故障或锅炉未达到于本生负荷时，相应的算法15、16会根据输入质量判断和计算边界判断，通过连接到燃水比控制回路的故障切换逻辑将相应的回路切为手动或设定为缺省值。
案例二：某电厂600MW超临界机组的DCS采用的是美国FOXBORO公司的I/A Series系统。该系统的过程控制器13－CP60提供了具有逻辑运算、算术运算和RS触发器功能的CALCA标准算法模块。该算法输入输出参数最大数量定义为：输入量包括8个实型量，16个布尔量，2个整型量，2个长整型量；输出量包括4个实型量，8个布尔量，6个整型量，2个长整型量；24个中间存储器。根据IAPWS-IF97公式和I/A Series系统CALCA算法模块的特点，采用本发明的方法利用多个CALCA算法的组合分别组态生成了不同子区的水和水蒸汽性质实时计算模块10，并以不同的宏模块方式保存在I/A Series系统CP60的控制逻辑中，每个宏模块都包括一个子区域的IAPWS-IF97或拟合公式，以计算出附图1中实时计算模块10的各个输出1～8，同时利用CALCA算法的位布尔计算功能实现了状态输出9。宏模块可以很方便实现算法复用，并且可以通过I/A Series系统人机接口站14－WP51F的图形软件组态生成的在线监控模块11对相应的宏模块进行监控和调整。
本案例采用组态多个宏算法和对应的在线监控画面的方式也完成了与附图2功能一样的基于中间点焓的超临界锅炉给水控制系统，并顺利投入运行，取得了良好的应用效果。

Claims (5)

1.一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法，其特征在于：该方法具体是由以下方法实现的：
采用通用C语言或过程控制系统⑿提供的用户编程语言编制的实时计算模块⑽运行于过程控制系统⑿的过程控制器⒀中，可以根据过程控制器⒀中的任一水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点依据水和水蒸汽热力性质标准IAPWS-IF97以及拟合公式实时计算并输出对应的水和水蒸汽焓⑶、饱和温度⑷、拟临界温度⑸和IAPWS-IF97中的2/3区分界线温度⑹，以及对应于水和水蒸汽温度⑵的饱和压力⑺；同时，实时计算模块⑽还包括一组通过计算和判断得到的状态输出⑻；
采用通用C/C++语言编程或过程控制系统⑿提供的用户编程语言编制的并运行于过程控制系统⑿人机接口站⒁上的在线监控模块⑾可以显示实时计算模块⑽的输入和所有计算输出，并可以通过在线监控模块⑾对实时计算模块⑽完成计算所需的一组预置参数⑼进行设置；
所述状态输出⑻为一个4位的二进制数，其中由高到低的各位分别为以1和0表征的算法输出质量、输入错误、计算越限和工质物性状态转换标识；
通过在线监控模块⑾输入到实时计算模块⑽的预置参数⑼包括：①实时计算模块⑽的缺省模式和全部输出的缺省值：当算法出现输入错误、计算越限错误时，实时计算模块⑽的输出⑶～⑺将按照缺省模式设置为上次计算值或预置参数⑼设置的缺省值；②按IAPWS-IF97分区设置的计算区域：当实时计算模块⑽判断出输入的水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点未处于设定的IAPWS-IF97计算子区内时，实时计算模块⑽的计算将停止，并置状态输出⑻的输出质量、计算越限位为真；③工质物性状态转换的输出形式：该设置定义了当工质物性发生变化时，状态输出⑻的工质物性状态转换标识的输出形式，其输出状态可为每次发生物性变化即发出一个脉冲或一旦发生物性变化就长置为真；
采用实时计算模块（10）完成锅炉中间点焓值和锅炉入口给水焓的实时计算，并作为焓增校正信号参与锅炉燃水比的控制。
2.如权利要求1所述的一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法，其特征在于：实时计算模块⑽的水和水蒸汽压力⑴和温度⑵测点输入不仅包括其实时的模拟数值，还包括能够检测出该测点是否存在测量或计算错误的质量位，当上述输入的任一个的质量位表示出错误状态时，实时计算模块⑽将停止计算，并将开关量输出⑻的输出质量、输入错误位的值置为真。
3.如权利要求1所述的一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法，其特征在于：实时计算模块⑽编译成为过程控制器⒀的标准算法功能模块或组态为一个可复用的宏模块，并可通过人机接口站⒁的标准系统软件进行组态、运行、监控和调整。
4.如权利要求1所述的一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法，其特征在于：实时计算模块⑽和在线监控模块⑾作为过程控制系统⑿的扩充功能，其中实时计算模块⑽可通过过程控制系统⑿提供的用户扩充工具嵌入过程控制器⒀或人机接口站⒁中并完成实时计算；在线监控模块⑾为一可以为人机接口站⒁提供的开发工具调用的动态链接库。
5.如权利要求2所述的一种基于水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97的实时控制方法，其特征在于：所述质量位是能够检测出该测点是否存在变送器测量故障或越限的质量位。
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