基于LabVIEW的水与水蒸汽物性参数计算软件开发研究.pdf

第 5 6卷 第 3期 2 0 1 4年 6月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOL0GY Vo l_ 5 6 No 3 J u n 2 01 4 基于 L a b V I E W 的水与水蒸汽物性参数 计算软件开发研究 徐 达 ， 李志鹏 ， 陈 涛 ， 杨建文 ， 洪顺军 ( 1长沙理工大学能源与动力工程 学院， 长沙 4 1 o 0 1 4； 2河南平顶 山姚孟第二发电有限公司， 平顶山 4 6 7 0 3 1 ) 摘要 ： 对水蒸汽物性计算区域 I F 9 7及计算公式模型进行了详细阐述， 基于 M A L T A B编写了水与水蒸汽物性参数的 计算程序 ， 建立了水与水蒸汽的物性参数动态链接库。基于 L a b V I E W 开发了水与水蒸汽物性参数计算软件界面。 对比结果分析表明， 该软件计算的结果与2 0 0 7 年国际水与水蒸汽表中的数据完全吻合， 说 明此软件具有很高的计 算准确性 ， 可应用于工程实际中的水与水蒸汽物性参数计算。 关键词 ： 水； 水蒸汽 ； 物性参数； 计算程序； 临界区 分类号 ： T K 2 1 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 - 5 8 8 4( 2 0 1 4 ) 0 3 - 0 1 8 6 - 0 3 T h e C a lc u la t io n S o f t wa r e Re a r c h A b o u t Wa t e r a n d Wa t e r Va p o r P h y s ic a l P a r a me t e r s Ba s e d o n L a b VI E W X U D a ， L I Z h i p e n g ， C I -I E N T a p ， Y A N G J i a n - w e n ， H O N G S h u n -j u n ( 1 S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g in e e r in g ， C h a n g s h a U n i v e r s it y o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo gy， C h tm g s h a 4 1 0 0 1 4 ， C h in a ； 2 T h e s e c o n d p o w e r c o m p a n y li m i t e d o f Y a p m e n g P i n g d i n g s h a n ， P in g d i n g s h a n 4 6 7 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a p e r e x p o u n d e d wa t e r v a p o r I P 9 7 p r o per t y c a lc u l a t i o n a r e a a n d c a lc u la t i o n f o r mu l a o f t h e mo d e l b y t h e in t e r n a t io n a l w a t e r a s s o c ia t io n in 1 9 9 7 W r it in g a a p p lic a t io n a b o u t t h e p h y s ic al p ara me t e r s o f wa t e r a n d s t e a m b y u s in g MAL T AB me t h o d S e t u p a d y n am ic lin k lib r a r y o f w a t e r a n d wa t e r v a p o r p h y s ic al p a r a me t e rs B as e d o n t h e L a b VI EW d e v e lo p e d wa t e r a n d w a t e r v a p o r p h y s ic a l p ara me t e rs c a lc u la t io n s o f t w a r e in t e rfa c e Co mp a r in g t h e r e s u lt a n a ly s is T h e r e s u lt s b y d e v e lo p in g s o f t w are c a lc u la t io n p e rfe c t ly w it h t h e d a t e o f t h e in t e r n a t io n a l w a t e r a n d s t e a m t a b le s in 2 0 0 7， it s h o ws t h a t t h e s o f t wa r e h as a h ig h c a lc ula t io n a c c u r a c y Ca n be a p p lie d t o c a lc ula t in g t h e wa t e r a n d s t e a m p r o pe r t y p ara me t e r s Ke y wo r d s： wa t e r ； wa t e r v a p o r ； p h y s ic a l p a r a m e t e r s ； c a lc u la t io n p r o c e d u r e ； c r it ic a l s e c t io n 0 前言 水和水蒸汽作为一种常规工质在热能、 化工、 冶金、 建材 等工业领域得到了广泛的应用， 水和水蒸汽热力性质的计算 成为工业应用、 科学研究中必不可少的基础。例如在热能 工程中， 水和水蒸汽热力学性质的通用计算可用于 ： 热力设 备状态评价、 热力循环分析 、 企业能量平衡等。首先水和水 蒸汽热力性质数据的准确性和可靠性直接关系到生产设备 的设计、 使用及安全性等一系列问题。因此， 准确计算水和 水蒸汽的热力性质就成为工业应用和科学研究一个重要基 础 。其次众所周知， 在不同工作条件下， 水和水蒸汽的物 性参数会发生很大 的变化 ， 在工艺系统和设备的设计过程 中， 工程设计人员需要经常进行繁琐的查表内插或复杂的计 算， 特别是在大多数系统和设备的设计已经实现计算机程序 辅助设计的情况下 ， 这些参数人工介入计算的工作量很大， 而且计算结果数据的人工输入往往还是发生错误的主要原 国之二! ： ： ! 。基王上述， 珏发出水与水蒸汽物性参数的计算 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 1 1 3 程序成为该领域从业人员的追求 目标。 本文首先介绍 了国际通用工业用水和水蒸汽性质计算 公式 I A P WSI F 9 7的适用范围、 区域划分及计算公式， 以此 为计算模型， 以 区 习 永蒸汽物性参数计算程 序， 实现了水与水蒸汽物性参数实时在线计算。最后基于 L a b V I E W 开发出的计算界面为水与水蒸汽物性参数计算提 供了便捷， 很好地实现了人机交互。 1 I A P WS I F 9 7公式的适用范围、 分区以及 模型公式 1 1 适用范围、 分区以及相关常数 水和水 蒸汽 的工业 公式 I A P WSI F 9 7的适 用 范围 为 ： 2 7 3 1 5 K 1 0 7 3 1 5 K， p lO O MP a ； 1 0 7 3 1 5 K 2 2 7 3 1 5 K， P 1 0 MP a 。 I A P WS I F 9 7将此有效范围分为 5个计算子区域， 如图 1所示。它们分别是 ： 1 一未饱和水区， 2一过热蒸汽区， 3一临 作者简介 ： 徐达( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 湖南石 门人 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 动力机械。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 徐达等 ： 基于 L a b V I E W 的水与水蒸汽物性参数计算软件开发研究 1 8 7 图 1 I A P WSI F 9 7公式的计算 子区域 界水和临界蒸汽区， 4一 饱和区， 5一高温低压蒸汽区。 I A P WS一1 F 9 7公式 中应用 的常数有 ： 气 体常数 R= 0 4 6 1 5 2 6 k J ( k g K) ； 临 界 点参 数 =6 4 7 0 9 6 K； P = 2 2 0 6 4 M P a ； p 。 =3 2 2 k g m ； I A P WSI F 9 7公式使用的对 比态 参 数 有 ：仃 ： 号 ； ： ； ： ； ： ；77 ： 去 ； ： ； 在 不 P l l P fL 同的分区中p 、 T 、 P 、 h 、 s 取不同的数值。同时 I A P WS I F 9 7的计算公式在 5个区域各不相同， 在求解各物性参数 前， 首先判断求解状态所处的区域 从图上可知 ， 除区域 2 、 3 之间的边界外 ， 其它区域的边界可以从图 1 直接看出。区域 2 、 3的边界用一个代号为 B 2 3的方程来描述 ： 仃 =n 1 +n 2 +凡 3 ( 1 ) 1 2 I A P WS I F 9 7各区域物性参数计算模型 在 1 、 2和5区域， 物性参数计算公式采用的是 自变量为 P和 的吉布斯自由能函数 g ( P ， T ) ； 在 3区域 ， 采用的是 自 变量为 P和 的亥姆霍兹 自由能函数f ( p ， T ) ； 在 4区域， 采 用的是饱和压力方程P ( ) 。这 5个方程， 是求解 I A P WS I F 9 7物性参数的基本方程。 1 2 1 1区域物性参数计算模型 = r ) =34 n i( 7 1 -l _ 2 2 2 ) s l ( 2 ) 式中， n 、 为常数 ， 相关数值见文献 6 。区域 1中所有 状态点的热物性参数可由式( 2 ) 和它的导函数求 出。如： 比 热容 ( 仃， ) = ； 比定压热容 =一下 ： r 丁 ， 其 热容 ( 仃， f ) ； 比定压热容 =一r ， 其 = 【 】 = 【 】 。 1 2 2 2区域物性参数计算模型 =y ( 仃， f )=y 。 ( 仃， r )= ( 仃， )( 3 ) 9 4 3 式中 ， 。 ( I t ，r ) = ln 丌 + o Jr ； ( 仃 ， tr ) =n i J7r ( r 一 0 5 ) J i； 、 ， 、 为常数 ， 相关数值见文献 6 。区域 1中所 有状态点的热物性参数可由式( 3 ) 和它的导函数求出。如： 比热容 ( 仃， r ) =z r ( y + ) ； 比定压热容 = 一 下 ( 。竹+7 ) 。 1 2 3 3区域物性参数计算模型 = ： n ln 8 +4 O n i8 ( 4 ) 式中， n 、 l i、 J 为常数， 相关数值见文献 6 。区域 1中所有 状态点的热物性参数可 由式 ( 4) 和它的导 函数求出。如： = ，其 中 = 【 等 。 1 2 4 4区域物性参数计算模型 由图 1 可知 ： 4区域 为饱 和区域 。通 过压力 可求得 饱 和 温度。对于水 ， 可把饱和压力、 饱和温度代入 1区域的方程 求得热物性参数 ； 对于饱和蒸汽， 可把饱和压力、 饱和温度代 入 2区域的方程求得热物性参数。区域 4的计算模型为： = 】4 其中， A= +n l +n 2 ； 曰=n 3 +n 4 0+ ； C=n 6 +n 7 + n。； =嘉 9_ 一 ； 为 常 数 ， 数 值 见 参 考 文 献 6 。 1 0 1 2 5 5区域物性参数计算模型 = ( )= ， r )= ”)( 6 ) 其中， y 。 ( ， r ) = l n 仃 + o ； y ( 仃 ， ) =n i 仃 ( r 一 0 5 ) J i； 、 为常数， 相关数值见文献 6 。 1 2 6 其它物性参数计算模型 动力黏度计算模型 7 ： = o ( T ) 。 ( T ， ) ( T ， ) ( 7 ) 导热系数计算模型- 8 ： = 。 ( 于 )+ ( )+ ： ( ， 卢 ) ( 8 ) 普朗特数计算模型 ： P r： ( 9) 2 程序编辑与系统设计 2 1 程序编辑 基于 I A P WSI F 9 7计算公式模型 ， 结合 MA T L A B编程 特点 ， 把所有的计算模型作为矩阵运算。如 1区域的 的 求法： 与 分别定义为一个 1行 3 4列的矩阵。同时把 ( 7 1一 ) 定义为( 7 1一仃) 与 o n e s ( 1 ， 3 4 ) 相乘的矩阵， 对 于 一 1定义为一个 1 行 3 4列的矩阵值分别减去数值 1 。最 后通过 MA T L A B中自带的求解器 S t l S 实现 ， 的求解。该 计算方法省去了计算偏导与每步相加的延迟性 ， 大大提高了 运算时间， 同时 MA T L A B的运算总是以所能达到的最高精度 计算 ， 从而计算结果不会出现截断误差 ， 提高了计算的精确 性 。 以水和水蒸汽黏度值计算作为说明。由上面物性参数 计算模型知： 黏度值计算需要温度和密度两个状态参数 ， 而 密度又与压力和温度两态参数有关， 所以求水和水蒸汽黏度 值 ， 首先要知道其对应的温度 和压力 P两个参数。计算过 程分为如下几个步骤 ： 第一步通过给定的压力值P求出对 应的饱和温度值 ， 同时比较输入的温度是否小于1 0 7 3 1 5 K； 第二步把所要求的水和蒸汽计算温度 与饱和温度值 进行 比较 ， 若所求的温度值比饱和温度值低， 则按 I A P WS I F 9 7第一区的比容计算式求出对应的温度和压力下的比容 值。若所求的温度 比饱和温度高， 则按 I A P WS I F 9 7第二区 _ = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 6 汽轮机技术 第 5 6卷 供热机组在额定供热抽汽、 供热负荷相等的情况下， 输 入净热量为1 8 2 0 2 0 06 5 6 k J h ， 出力为2 7 0 5 3 5 4 k W， 折合机 组发电煤2 fi2 3 7 g ( k W h ) 。 = 式 中， b 为 供 电 煤 耗， g ( k W h ) ； 为 发 电 煤 耗， g ( k W h ) ； 为厂用电率， 。 由表 2可知 ， 蒸汽驱动小汽机后， 乏汽余热通过热 网水 进行冷却回收， 总的供热负荷与采用电泵方式下的直接抽汽 加热相等 ， 消耗的采暖抽汽总量相等。从发电煤耗的角度来 看 ， 两种方式对机组发电煤耗均无影响， 但是从供电煤耗来 看 ， 采用汽泵后由于减少了厂用电的消耗， 使厂用电率相对 下降0 6 7 ， 单 台机组在采暖季厂用 电率由6 5 5 下降到 5 8 8 ， 机组供电煤耗下降了1 8 g ( k W h ) ， 机组降耗水平 大大增加。 5 结束语 本文对采用小汽机驱动热网循环水泵的方式进行了经 济性分析， 并以某 3 0 0 M W 亚临界供热机组为例进行数据论 证 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 根据机组抽汽能力和蒸汽参数条件， 采用小汽机驱 动热网循环水泵， 每年减少运行成本 2 0 0万元 3 0 0万元， 体 现较好的经济效益； ( 2 ) 在相同的供热负荷条件下， 减少了厂用电的消耗， 与 电泵驱动方式相比， 供电煤耗同比可 以下降1 5 g ( k W h ) 一 3 g ( k W h ) 。 参 考 文 献 1 谈双根小 型工业汽轮机在热 电厂给水泵上 的应用 J 热力 发电 ， 2 0 0 6 ， ( 2 ) ： 5 6 2 刘道鹏 发电厂汽泵代替电泵启动应用分析 J 电力与能 源 ， 2 0 0 9 ， ( 3 5 ) ： 7 9 07 9 1 3 赵世明 ， 高峰热水循 环泵节 能探讨 J 给水 排水 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 3 ) ： 7 8 8 O 4 张春发 ， 张燕 ， 董丽娟 ， 等电动给水泵和汽动给 水泵的经济 性 比较研究 J 电力科学工程 ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 3 1 3 3 5 樊印龙 ， 李飞雁给水泵汽轮机气源配置浅 析 J 浙江 电力 ， 2 0 0 5 ， ( 1 ) ： 2 93 1 6 刘洋浅析热网循环 泵变频调节 运行 J 工程科技 ， 2 0 0 8 ， ( 1 ) ： 2 7 02 7 1 7 陈功火电厂循 环泵运行方式对机组 经济性 的影 响 J 汽 轮机技术 ， 2 0 0 7， 4 9 ( 1 ) ： 7 O一7 2 8 丁家峰， 齐进， 吴志祥大型火电机组给水泵驱动方案的经 济性 比较 J 节能 ， 2 0 1 l ， ( 1 2 ) ： 8 48 8 9 娄智勇， 徐二虎， 杜志英热电厂汽动给水泵节电分析 J 科 技传播 ， 2 0 1 l ， ( 9 ) 7 9 8 2 1 0 杨冬 ， 徐宏 ， 郑善和热 电厂 中使用汽动 给水泵的热 力系 统优化分析 J 电站系统工程 ， 2 0 0 6， 2 2 ( 3 ) ： 2 l一 2 4 ( 上接第 1 8 8页) 参 考 文 献 贾俊颖， 王培红， 程懋华 水和水蒸汽性质通用计算软件的算 法研究 J 热能动力工程， 2 0 0 0 ， 1 5 ( 9 o ) ： 6 6 6 6 6 9 汪国山， 朱晓星， 谭锐， 等 水和水蒸汽热力性质国际工业标 准 I A P W S一 1 17 9 7 和计算程序编制 J 汽轮机技术 ， 2 0 0 5 ， 4 7 ( 3 ) ： 1 6 11 6 4 吴燕玲 ， 钟崴 ， 童水 光 ， 等I A P WSI F 9 7水和水蒸 汽性质计 算方法的补充模型及 应用 J 热力发 电 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 3 ) ： 3 O一 3 3 郑林 ， 常鲜戎 ， 崔勇I A P WSI F 9 7拟合 公式 在火 电厂实 时仿真 中的应用 J 热力发电 ， 2 0 0 9， 3 8 ( 3 ) ： 3 84 JD 王培红 ， 贾俊颖 ， 程 懋华水和水蒸 汽热 力性质 I A P WSI 1； 9 7 公式的通用计算模型 J 动力工程， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 6 ) ： 1 5 6 4 1 5 6 7 6 W Wa g n e r ， J R C o o p e r ， A D i t t ma n n e t a 1 T l e I A P WS I n d u s t ria l Fo r mu l a t io n 1 9 9 7 f o r t h e T h e rm y n a mic P r o p e r t ie s o f