一種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法，其包括在計算機(jī)上建立虛擬儀器平臺的步驟，根據(jù)工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)IAPWS?IF97計算公式編制子程序的步驟，通過輸入水和水蒸氣熱力參數(shù)及其組合判斷其所處相態(tài)并計算其熱力性質(zhì)的步驟；其有益效果是：本發(fā)明基于虛擬儀器技術(shù)并按照模塊化的思想，將水和水蒸氣各區(qū)的基本方程、反推方程、補(bǔ)充方程以及邊界方程作為子程序，根據(jù)輸入熱力參數(shù)調(diào)用各個區(qū)域子程序，實現(xiàn)水和水蒸氣相態(tài)的自動判斷并計算其熱力性質(zhì)；本發(fā)明進(jìn)一步提高了計算和分析水和水蒸氣熱力性質(zhì)的效率，實現(xiàn)了人工查水和水蒸氣表及圖時所無法達(dá)到的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
【專利說明】
-種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于火力發(fā)電機(jī)組熱力試驗虛擬儀器開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于虛 擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬儀器技術(shù)是基于計算機(jī)的技術(shù)，在現(xiàn)階段，依靠現(xiàn)代信息技術(shù)，特別是計算機(jī) 軟件技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，通過計算機(jī)硬件資源和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信W及用戶自 定義界面的軟件資源組成數(shù)據(jù)處理和測試儀器系統(tǒng)，可W提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力。傳 統(tǒng)儀器通過儀器面板上的控件和按鈕實現(xiàn)操作和控制，而虛擬儀器技術(shù)通過各種交互式輸 入/輸出控件、對話框、菜單W及應(yīng)用函數(shù)模塊模擬傳統(tǒng)儀器面板完成操作和開發(fā)，并利用 計算機(jī)強(qiáng)大的運算、分析和處理功能對控制對象和顯示控件進(jìn)行操作和控制，也使數(shù)據(jù)處 理和分析結(jié)果更加直觀形象。
[0003] 在W水和水蒸汽為運行介質(zhì)的工業(yè)領(lǐng)域中，水和水蒸汽相態(tài)判定及其熱力性質(zhì)計 算是必不可少的基礎(chǔ)和工具。W火力發(fā)電機(jī)組為例，煤在鍋爐中燃燒，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊?能，鍋爐水冷壁中的水吸熱后變?yōu)樗羝⑶以谶^熱器內(nèi)過熱，成為過熱蒸汽，此時蒸汽 的溫度、壓力比外界環(huán)境的溫度和壓力高，具備作功能力。當(dāng)過熱蒸汽被導(dǎo)入汽輪機(jī)后，先 通過噴管膨脹，速度增大，熱力學(xué)能變成動能，具有一定動能的蒸汽推動汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動作 功。作功后的蒸汽從汽輪機(jī)進(jìn)入凝汽器，被循環(huán)水冷凝成過冷水，并由累加壓送入鍋爐加 熱，完成一個循環(huán)。在此過程中，作為工質(zhì)的水和水蒸汽不斷的蒸發(fā)、沸騰W及凝結(jié)，通過水 的相態(tài)變化過程完成了火電機(jī)組的運行。因此水和水蒸汽的相態(tài)判定及其熱力性質(zhì)計算是 火電機(jī)組能耗計算和節(jié)能評估的基礎(chǔ)，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到火電機(jī)組熱力系統(tǒng) 的優(yōu)化控制和性能指標(biāo)評價 由于水和水蒸氣熱力性質(zhì)十分復(fù)雜，國際水和水蒸氣熱力性質(zhì)委員會(IAPWS)于1997 年發(fā)布了新的工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計算公式，該計算模型擴(kuò)展了原有的IFC-67 (1967年國際公式化委員會IFC在第六屆水蒸氣性質(zhì)國際會議上發(fā)布的官方標(biāo)準(zhǔn)公式)適用 范圍，并且在計算精度、速度W及區(qū)域邊界一致性上都優(yōu)于原有的IFC-67計算模型。將熱能 動力W及工程熱力學(xué)領(lǐng)域中水和水蒸氣的相態(tài)判定及熱力性質(zhì)計算通過虛擬儀器技術(shù)實 現(xiàn)，使其應(yīng)用更加的靈活方便，算法設(shè)計也便于管理和維護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能更加高效準(zhǔn)確的獲取不同熱力輸入?yún)?數(shù)狀態(tài)下水和水蒸汽所處的相態(tài)及其熱力性質(zhì)基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài) 判定算法，其包括W下步驟： 步驟1在計算機(jī)上建立虛擬儀器平臺，所述虛擬儀器平臺包括設(shè)置在計算機(jī)的存儲器 上的主程序模塊和設(shè)置在計算機(jī)的顯示器上的虛擬面板;所述虛擬面板包括輸入界面、輸 出界面、飽和水按鈕、飽和蒸汽按鈕、亞穩(wěn)態(tài)按鈕和過冷水按鈕;所述輸入界面的輸入?yún)?shù) 包括壓力、溫度、比洽、比賭和密度;所述輸出界面的輸出參數(shù)壓力、溫度、比洽、密度、比賭、 比容、音速、比熱力學(xué)能、定容比熱容和定壓比熱容； 步驟2根據(jù)工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)IAPWS-IF97計算公式中的1區(qū)基本方程、2區(qū)基 本方程、3區(qū)基本方程、4區(qū)基本方程、5區(qū)基本方程W及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程分別作為編 制子程序：1區(qū)基本方程子程序、1區(qū)反推方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、3區(qū)基本方程子 程序、4區(qū)基本方程子程序、5區(qū)基本方程子程序W及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程序;所述1 區(qū)基本方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、2區(qū)補(bǔ)充方程子程序、3區(qū)基本方程子程序、4區(qū)基 本方程子程序、4區(qū)反推方程子程序、5區(qū)基本方程子程序W及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程 序分別設(shè)置在所述計算機(jī)的存儲器上； 步驟3通過輸入水和水蒸氣熱力參數(shù)及其組合判斷其所處相態(tài)并計算其熱力性質(zhì);具 體步驟如下： 步驟3-1輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度了 1; 老
，則主程 序模塊判斷所述熱力學(xué)溫度r 1處于IAPWS-IF97的有效計算范圍，主程序模塊使飽和水按 鈕、飽和蒸汽按鈕置為可用;通過飽和水按鈕調(diào)用1區(qū)基本方程子程序求解飽和水的熱力性 質(zhì)或者通過飽和蒸汽按鈕調(diào)用2區(qū)基本方程子程序求解飽和蒸汽的熱力性質(zhì)；否則，熱力學(xué) 溫度乎1參數(shù)越界，主程序模塊使飽和水按鈕、飽和蒸汽按鈕置為不可用；需重新輸入熱力 參數(shù)及其組合； 步驟3-2輸入?yún)?shù)為壓力巧1; 若
，則主程序模塊判斷所述壓力護(hù)1處于IAPWS-IF97的有效計算 范圍，主程序模塊使飽和水按鈕、飽和蒸汽按鈕置為可用；通過飽和水按鈕調(diào)用1區(qū)基本方 程子程序求解飽和水的熱力性質(zhì)或者通過飽和蒸汽按鈕調(diào)用2區(qū)基本方程子程序求解飽和 蒸汽的熱力性質(zhì)；否則，壓力^ l參數(shù)越界，主程序模塊使飽和水按鈕、飽和蒸汽按鈕置為不 可用；需重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-3輸入?yún)?shù)為壓力護(hù)2與熱力學(xué)溫度T 2的組合，主程序模塊判斷所述壓力護(hù)2 與熱力學(xué)溫度^2的組合是否處于14?￥5-^97的有效計算區(qū)域；
若滿， 或者 則所述壓力聲2與熱力學(xué)溫度玄2的組合處于IAPWS-IF97的有效計算區(qū)域；否則需重 新輸入熱力參數(shù)及其組合；
在所述壓力2滬與熱力學(xué)溫度了 2的組合化于IAPWS-IF97的有效計算區(qū)域的情況下， 主程序模塊判斷熱力學(xué)溫度T2是否滿巧 I時主程序模 塊調(diào)用4區(qū)基本方程子程序判斷壓力古2^ ; 若滿盾
則主程序模塊調(diào)用1 區(qū)基本方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、2區(qū)補(bǔ)充方程子程序和4區(qū)基本方程子程序來計算水 和水蒸氣干度:果和壓力取2，并判斷其是否滿月
； 若滿盾
^，則主程序模塊使亞 穩(wěn)態(tài)按鈕和過冷水按鈕置為可用；通過亞穩(wěn)態(tài)按鈕和過冷水按鈕調(diào)用1區(qū)基本方程子程序 求解過冷水的熱力性質(zhì)或者調(diào)用2區(qū)補(bǔ)充方程子程序求解亞穩(wěn)態(tài)蒸汽的熱力性質(zhì)； 若不滿足
，那么調(diào)用4 區(qū)基本方程子程序、2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程序并判斷熱力學(xué)溫度T2和壓力?^ 2是否滿 足：
^￡程序調(diào)用5區(qū)基本方 程求解高溫狀態(tài)水和水蒸氣熱力性質(zhì)；否則參數(shù)越界，重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-4當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力3與比洽義時，主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和1 區(qū)基本方程子程序計算所述壓力3對應(yīng)飽的和狀態(tài)比洽馬.，并判斷比洽占是否滿足A曰; 若滿足心則主程序模塊調(diào)用1區(qū)基本方程子程序和1區(qū)反推方程子程序計算過冷水熱力 性質(zhì);若不滿足&曰則主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和2區(qū)基本方程子程序，并判斷 輸入?yún)?shù)壓力護(hù)3與比洽克是否滿足2區(qū)邊界條件要求;若滿足2區(qū)邊界條件要求則調(diào)用2區(qū) 基本方程子程序計算過熱蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣熱力性質(zhì);若不滿足2區(qū)邊界條件要求 則重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-5當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力巧4與比賭S時，主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和1 區(qū)基本方程子程序計算壓力f 4對應(yīng)的飽和狀態(tài)比洽&，并判斷比洽心是否滿足S這毎;若 滿足r曰旬則主程序模塊調(diào)用1區(qū)基本方程子程序和1區(qū)反推方程子程序計算過冷水熱力性 質(zhì);若不滿足則主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和2區(qū)基本方程子程序，并判斷輸 入?yún)?shù)壓力^^4與比洽心是否滿足2區(qū)邊界條件要求;若滿足2區(qū)邊界條件要求則計算過熱 蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣熱力性質(zhì);若不滿足2區(qū)邊界條件要求則重新輸入熱力參數(shù)及其 組合； 步驟3^若輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度'r 3與密度戶時，主程序模塊調(diào)用嫗基本方程子程序獲 得所述輸入?yún)?shù)熱力學(xué)溫度衣：3與密度巧對應(yīng)的壓力護(hù)5值，并調(diào)用嫗基本方程子程序和嫗基 本方程子程序邊界方程判斷熱力學(xué)溫度了 3與壓力護(hù)5是否滿足：
i
若滿足，則主程序模塊調(diào)用3區(qū)基本方程子程序計算處于臨 界狀態(tài)的水和水蒸氣性質(zhì)，否則重新輸入熱力參數(shù)及其組合。
[0006] 所述1區(qū)基本方程為
地'，O是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，氣體常I
， 無量綱參避
1區(qū)邊界條件為：運T豆1述且
，其中(了)是對應(yīng)溫度的飽和壓力； 1區(qū)W壓力:^和比洽也為自變量的反推方程為
其中，
W壓力A和比備f為自變量的反推方程為：
其中，
2區(qū)基本方程為：
是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)

， 2區(qū)補(bǔ)充方程為

其中， 2區(qū)巧 其中， 貝1J2區(qū)邊界條件表示為：
其中，為對應(yīng)溫度的飽和壓力，弟辯由B23方程確定； 為了對2區(qū)反推方程做出說明，IAPWS-IF97在2區(qū)內(nèi)將2區(qū)再次劃分為a，b，cS個子區(qū) 域，其中，a區(qū)邊界條件為異心4MP"，b區(qū)邊界條件為5豈5.目5，c區(qū)邊界條件為S <5.目5。則W 壓力與和比洽克為自變量的a區(qū)域的反推方程為：
/的巧是W密度和溫度為自變量的化Imholtz自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)5 = p/片，r = 77r，
，臨界參數(shù)
3區(qū)邊界條件為
其中，了(的和巧由2區(qū)和3區(qū)邊界方程確定； 4區(qū)基本方程為：

，了,為飽和溫度； 4反巧巧條件為：
g技，巧是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)

5區(qū)邊界條件為：
其中，祀，皆擊取:媽K巧異呀是相關(guān)擬合參數(shù)常量。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在全面分析IAPWS-IF97計算模型的基礎(chǔ)上，基于虛 擬儀器技術(shù)并按照模塊化的思想，將水和水蒸氣各區(qū)的基本方程、反推方程、補(bǔ)充方程W及 邊界方程作為子程序，根據(jù)輸入熱力參數(shù)調(diào)用各個區(qū)域子程序，可W實現(xiàn)水和水蒸氣相態(tài) 的自動判斷并計算其熱力性質(zhì);本發(fā)明通過水和水蒸氣相態(tài)的判定及熱力性質(zhì)的計算，為 后續(xù)的機(jī)組性能指標(biāo)計算和設(shè)備運行狀態(tài)診斷分析提供了有效的，有價值的數(shù)據(jù)支撐;本 發(fā)明中通過算法的應(yīng)用和實施，進(jìn)一步提高了計算和分析水和水蒸氣熱力性質(zhì)的效率，實 現(xiàn)了人工查水和水蒸氣表及圖時所無法達(dá)到的高效性和經(jīng)濟(jì)性，同時也有助于提升計算精 度和速度，在實際工程應(yīng)用和科學(xué)計算中具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0009] 圖2為虛擬面板的水和水蒸氣計算界面。
[0010] 圖3為虛擬面板的水和水蒸氣相態(tài)判定界面。
[0011] 圖4為IAPWS-IF97水和水蒸氣區(qū)域及方程。
[0012] 在圖2-3中，1輸入界面、1輸出界面、3飽和水按鈕、4飽和蒸汽按鈕、5亞穩(wěn)態(tài)按鈕、6 過冷水按鈕。
【具體實施方式】
[0013] 下面結(jié)合圖1-圖4W及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0014] 國際水和水蒸氣熱力性質(zhì)委員會(IAPWS)于1997年發(fā)布了新的工業(yè)用水和水蒸氣 熱力性質(zhì)計算公式，該計算模型擴(kuò)展了原有的IFC-67Q967年國際公式化委員會IFC在第六 屆水蒸氣性質(zhì)國際會議上發(fā)布的官方標(biāo)準(zhǔn)公式)適用范圍，并且在計算精度、速度W及區(qū)域 邊界一致性上都優(yōu)于原有的IFC-67計算模型； 虛擬儀器技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和測試測量技術(shù)，通過利用軟件程序模擬傳統(tǒng)儀 器面板的各種器件，并結(jié)合高效靈活的軟件平臺完成測試、測量和自動化應(yīng)用。通過基于虛 擬儀器技術(shù)實現(xiàn)IAPWS-IF97計算模型開發(fā)，可W實現(xiàn)完全意義上的用戶自定義界面系統(tǒng)， 有助于對輸出結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的操作和控制； 基于虛擬儀器技術(shù)的水和水蒸氣相態(tài)判定算法是按照IAPWS-IF97計算模型要求，W虛 擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過輸入水和水蒸氣相關(guān)熱力參數(shù)自動判斷其所處相態(tài)并計算其熱力 性質(zhì)。
[0015] IAPWS-IF97計算模型分析，為國際水和水蒸氣熱力性質(zhì)委員會（IAPWS)于1997年 發(fā)布的工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計算公式。IAPWS-IF97將水和水蒸氣有效計算區(qū)域劃分 為5個區(qū)域見附圖4所示，其中1區(qū)為過冷水區(qū)；2區(qū)為過熱蒸汽區(qū)；3區(qū)為臨界水和蒸汽區(qū)；4 區(qū)為飽和狀態(tài)區(qū)；5區(qū)為高溫低壓區(qū)。
[0016] 1區(qū)、2區(qū)和5區(qū)基本方程是采用自變量為壓力P和熱力學(xué)溫度T的Gibbs自由能函 數(shù)客(f，巧，；3區(qū)基本方程是采用自變量為密度與和熱力學(xué)溫度玄的化Imholtz自由能函數(shù) /(AO，；4區(qū)基本方程是采用自變量為熱力學(xué)溫度T的飽和壓力方程巧(巧。除此之外，在 2區(qū)和3區(qū)之間定義了一個邊界方程稱為B23方程。同時，為了對水和水蒸氣亞穩(wěn)態(tài)做出說 明，IAPWS-IF97還發(fā)布了 2區(qū)的補(bǔ)充方程。為了求解隱函數(shù)方程相關(guān)區(qū)域的反推方程也給出 了說明。
[0017] I區(qū)基本方程為；
fif.n是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，氣體常數(shù)及二0.4615如時犧'巧）， 無量綱參數(shù)
。！區(qū)邊界條件為：
，其中(了)是對應(yīng)溫度的飽和壓力。
[001引1區(qū)W壓力f和比洽也為自變量的反推方程為：
其中，

W壓力f :和比賭曰為自變量的反推方程為
其中 2區(qū)g 島枉'，巧是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)= ^如'，T=巧了'，
[0019] 2區(qū)補(bǔ)充方程為：
其中
2區(qū)和3區(qū)邊界方程B23方程為；
其中
。
[0020] 貝1J2區(qū)邊界條件表示為：
其中，.町(了)為對應(yīng)溫度的飽和壓力，取(巧由B23方程確定。
[0021] 為了對2區(qū)反推方程做出說明，IAPWS-IF97在2區(qū)內(nèi)將2區(qū)再次劃分為a，b，cS個子 區(qū)域，其中，a區(qū)邊界條件為玄^4郵務(wù)，b區(qū)邊界條件為芯占5.巧，C區(qū)邊界條件為芯<5.巧?，F(xiàn)J W壓力異和比洽:?為自變量的a區(qū)域的反推方程為：
, 其中，
W壓力巧和比賭6為自變量的a區(qū)域的反推方程為：
/化O是W密度和溫度為自變量的Helmholtz自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)
，臨界參數(shù)
[0022] 3區(qū)邊界條件為；
其中，巧切和^巧由2 區(qū)和3區(qū)邊界方程確定。
[0023] 4區(qū)基本方程為

并且
，巧為飽和溫度。
[0024] 4區(qū)邊界條件為：273.:15於<：7皂647.日96茫 良22.21卻。芭其良22.0自4i蠟?。: 4區(qū)反推方程為：
[002!
客姑，巧是W壓力和溫度為自變量的G化bs自由能函數(shù)，無量綱參數(shù)
，
O
[00%] 5區(qū)邊界條件為
上述公式中/巧=1，2,3…）是相關(guān)擬合參數(shù)常量。IAPWS-IF97計算模型給出 了基本方程、補(bǔ)充方程W及反推方程基本公式，并通過他們W及其組合實現(xiàn)水和水蒸氣所 有熱力性質(zhì)參數(shù)的計算。
[0027]基于虛擬儀器技術(shù)的IAPWS-IF97計算模型實現(xiàn)，是將水和水蒸氣各區(qū)方程作為一 個子程序，并按照虛擬儀器的特點將各區(qū)方程的自變量作為輸入接口，W控制輸入?yún)?shù)，待 求解參數(shù)作為輸出接口，用于控制輸出參數(shù)，通過輸入和輸出參數(shù)接口實現(xiàn)主程序?qū)Ω鱾€ 子程序的調(diào)用，完成水和水蒸氣計算模型的程序化開發(fā)。
[002引按照IAPWS-IF97計算模型要求，W虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過輸入水和水蒸氣相 關(guān)熱力參數(shù)自動判斷其所處相態(tài)并計算其熱力性質(zhì)，具體步驟如下： 輸入:水和水蒸氣熱力參數(shù)及其組合； 輸出：水和水蒸氣相態(tài)及其熱力性質(zhì)。
[00巧]Stepl:選擇輸入?yún)?shù)及其組合； Step2:根據(jù)輸入?yún)?shù)及其組合調(diào)用子程序； (1) 如果輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度了，判斷其是否處于IAPWS-IF97的有效計算范圍，若 打義15足<了<1的3.15皮或者1的3.15堅<^<2273.15芯則通過虛擬儀器按鈕調(diào)用IAPWS- IF97計算模型1區(qū)基本方程求解飽和水的熱力性質(zhì)或者調(diào)用2區(qū)基本方程求解飽和蒸汽的 熱力性質(zhì)，若超出有效計算區(qū)域，則參數(shù)越界，重新輸入熱力參數(shù)及其組合； (2) 如果輸入?yún)?shù)為壓力^，判斷其是否處于14?￥5-^97的有效計算范圍，若:=^3*^胃心。， 則通過虛擬儀器按鈕調(diào)用IAPWS-IF97計算模型1區(qū)基本方程求解飽和水的熱力性質(zhì)或者調(diào) 用2區(qū)基本方程求解飽和蒸汽的熱力性質(zhì)，若超出有效計算區(qū)域，則參數(shù)越界，重新輸入熱 力參數(shù)及其組合； (3) 若輸入?yún)?shù)為壓力必和熱力學(xué)溫度了的組合，判斷其是否處于IAPWS-IF97的有效 計算范圍，如果：斟3'巧芯宜了運10巧巧爲(wèi)護(hù)直舶O峨a或者1的3.15路<了<2273.15取真<10輝化， 則處于有效計算區(qū)域。
[0030]判斷熱力學(xué)溫度了是否滿足273.15狂<了<自巧.15芯，并調(diào)用4區(qū)基本方程判斷壓力井 是否滿足A巧卻引00蜂。，若均滿足則調(diào)用1區(qū)基本方程、2區(qū)基本方程、2區(qū)補(bǔ)充方程和4區(qū)基 本方程計算水和水蒸氣干度采和壓力護(hù)，并判斷其是否滿足y 4 QIKminSM班^.SIGM班， 若滿足則通過虛擬儀器按鈕調(diào)用IAPWS-IF97計算模型1區(qū)基本方程求解過冷水的熱力性質(zhì) 或者調(diào)用2區(qū)補(bǔ)充方程求解亞穩(wěn)態(tài)蒸汽的熱力性質(zhì)。如果不滿足水和水蒸氣1區(qū)邊界條件和 2區(qū)補(bǔ)充方程邊界條件要求，那么調(diào)用4區(qū)基本方程、2區(qū)和3區(qū)邊界方程并判斷熱力學(xué)溫度 r和壓力取是否滿足：
若滿足則調(diào)用2區(qū)基本方程計算過熱蒸汽熱力性質(zhì)。如果不滿足則進(jìn)一步判斷其是否 滿足
若滿足則調(diào)用5區(qū)基本方程求解高溫狀態(tài)水和水蒸氣熱力性質(zhì)。否則參數(shù)越界，重新輸 入熱力參數(shù)及其組合； (4) 當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力^與比洽&時，調(diào)用4區(qū)反推方程和1區(qū)基本方程計算該壓力^^. 對應(yīng)飽和狀態(tài)的比洽％，并判斷比洽東是否滿足A曰/:,，若符合該條件則調(diào)用1區(qū)基本方程 和1區(qū)反推方程計算過冷水熱力性質(zhì)。否則調(diào)用4區(qū)反推方程和2區(qū)基本方程，判斷輸入?yún)?shù) 壓力f與比洽拓是否滿足2區(qū)邊界條件要求，若滿足則計算過熱蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣 熱力性質(zhì)。否則重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 巧）當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力f與比賭S時，調(diào)用4區(qū)反推方程和1區(qū)基本方程計算該壓力護(hù) 對應(yīng)飽和狀態(tài)的比洽&，并判斷比洽S是否滿足，若符合該條件則調(diào)用1區(qū)基本方程 和1區(qū)反推方程計算過冷水熱力性質(zhì)。否則調(diào)用4區(qū)反推方程和2區(qū)基本方程，判斷輸入?yún)?shù) 壓力馬與比洽S是否滿足2區(qū)邊界條件要求，若滿足則計算過熱蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣 熱力性質(zhì)。否則重新輸入熱力參數(shù)及其組合； (6) 若輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度了與密度與時，調(diào)用3區(qū)基本方程獲得對應(yīng)該輸入?yún)?shù) 熱力學(xué)溫度了與密度與時的壓力:^值，并調(diào)用2區(qū)和3區(qū)邊界方程判斷熱力學(xué)溫度了與壓力 巧是否滿足：目23.15於ST<T(別；:|(巧卻引日0雌口，若滿足則調(diào)用3區(qū)基本方程計算處 于臨界狀態(tài)的水和水蒸氣性質(zhì)，否則重新輸入熱力參數(shù)及其組合； (7) 若輸入的熱力參數(shù)值不滿足有效計算區(qū)域，則參數(shù)越界，重新輸入熱力參數(shù)及其組 合。
[0031] 注:一、步驟(4)步驟巧）中關(guān)于飽和狀態(tài)比洽電和Js計算方法為： 首先令輸入?yún)?shù)壓力爭=戰(zhàn)，并代入4區(qū)反推方程，獲得輸入?yún)?shù)壓力點對應(yīng)狀態(tài)下的 飽和溫度寫，將輸入?yún)?shù)壓力A郝飽和溫度巧i代入1區(qū)基本方程獲得W壓力和溫度為自變 量的G比bs自由能函數(shù)這掉，斟 則飽和狀態(tài)比烙;^和^,的計算公式分別為：
Gibbs自由能函數(shù)對自變量 溫度T求偏導(dǎo)。
[0032] 二、步驟(3)中設(shè)及到的水和水蒸氣干度J計算方法為： 首先，令熱力學(xué)溫度了 = ?；并將熱力學(xué)溫度了代入4區(qū)基本方程，獲得對應(yīng)狀態(tài)下的飽 和壓力馬，將飽和壓力巧和熱力學(xué)溫度 r代入1區(qū)基本方程，獲得W壓力和溫度為自變量 的G比bs自由能函數(shù)g化，了），然后計算飽和水比洽
其次，令熱力學(xué)溫度了 = ^并將熱力學(xué)溫度京代入4區(qū)基本方程，獲得對應(yīng)狀態(tài)下的飽 和壓力A，將飽和壓力:?和熱力學(xué)溫度r代入2區(qū)基本方程，獲得W壓力和溫度為自變量 的G比bs自由能函數(shù)g(A，T)，然后計算飽和蒸汽比洽
最后，將輸入?yún)?shù)壓力f和熱力學(xué)溫度了并代入2區(qū)補(bǔ)充方程，獲得W壓力和溫度為 自變量的G化bs自由能函數(shù)gi>，r)，并按照
求解比洽.?，則水和 水蒸氣干度y計算方法為：
[0033] 對于水和水蒸氣相態(tài)判定及熱力性質(zhì)計算，通過虛擬儀器技術(shù)，按照模塊化的思 想，將水和水蒸氣各個區(qū)域方程編寫為子程序，通過輸入不同的熱力參數(shù)判斷水和水蒸氣 所處的相態(tài)，并調(diào)用水和水蒸氣各個區(qū)域的基本方程、反推方程、補(bǔ)充方程W及邊界方程實 現(xiàn)水和水蒸氣相態(tài)的判定W及熱力性質(zhì)的計算。
[0034] 水和水蒸氣熱力性質(zhì)計算作為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域科學(xué)研究的基礎(chǔ)和工具，其計算結(jié)果 直接影響到W水和水蒸氣為運行介質(zhì)的工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制和性能評價分析，因此在實際 工程應(yīng)用和科學(xué)計算中有必要對水和水蒸氣的熱力性質(zhì)進(jìn)行定量計算并準(zhǔn)確判斷其所處 的相態(tài)。該算法的引入對于火電機(jī)組后續(xù)的能耗指標(biāo)計算W及性能評價分析方面具有重要 的指導(dǎo)意義和參考價值。
[0035] 采用上述算法可W針對火電機(jī)組熱力計算中水和水蒸氣相態(tài)判定問題，通過基于 虛擬儀器技術(shù)的相態(tài)判定算法為后續(xù)機(jī)組性能指標(biāo)計算和設(shè)備運行狀態(tài)診斷分析提供有 效的數(shù)據(jù)支撐。本方法在虛擬儀器的基礎(chǔ)上，W國際水和水蒸氣熱力性質(zhì)委員會（IAPWS) 1997年發(fā)布的工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計算公式為準(zhǔn)則，采用有效的相態(tài)判定算法，實 現(xiàn)了對水和水蒸氣熱力學(xué)狀態(tài)的判定，確立了一種基于虛擬儀器技術(shù)的水和水蒸氣相態(tài)判 定算法。
[0036] 通過選擇不同的輸入?yún)?shù)類型組合，首先判斷輸入?yún)?shù)是否處于IAPWS-IF97計算 模型的有謝巧雨內(nèi)，
如果輸入?yún)?shù)超出計算有效范圍，需重新輸入相關(guān)參數(shù)，否則，根據(jù)水和水蒸氣各區(qū)邊 界條件判斷所處計算區(qū)域，并調(diào)用對應(yīng)計算區(qū)域的子程序，通過模塊化的設(shè)計思想可W實 現(xiàn)基于虛擬儀器技術(shù)的水和水蒸氣相態(tài)判定算法。
[0037] W上所述實施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而并非本發(fā)明可行實施例的窮舉。 對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對其所作出的任何顯 而易見的改動，都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1在計算機(jī)上建立虛擬儀器平臺，所述虛擬儀器平臺包括設(shè)置在計算機(jī)的存儲器 上的主程序模塊和設(shè)置在計算機(jī)的顯示器上的虛擬面板;所述虛擬面板包括輸入界面（1)、 輸出界面(2)、飽和水按鈕(3)、飽和蒸汽按鈕(4)、亞穩(wěn)態(tài)按鈕(5)和過冷水按鈕(6);所述輸 入界面（1)的輸入?yún)?shù)包括壓力、溫度、比焓、比熵和密度;所述輸出界面(2)的輸出參數(shù)包 括壓力、溫度、比焓、密度、比熵、比容、音速、比熱力學(xué)能、定容比熱容和定壓比熱容； 步驟2根據(jù)工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)IAPWS-IF97計算公式中的1區(qū)基本方程、2區(qū)基 本方程、3區(qū)基本方程、4區(qū)基本方程、5區(qū)基本方程以及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程分別編制子 程序:1區(qū)基本方程子程序、1區(qū)反推方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、3區(qū)基本方程子程序、 4區(qū)基本方程子程序、5區(qū)基本方程子程序以及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程序;所述1區(qū)基本 方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、2區(qū)補(bǔ)充方程子程序、3區(qū)基本方程子程序、4區(qū)基本方程 子程序、4區(qū)反推方程子程序、5區(qū)基本方程子程序以及2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程序分別 設(shè)置在所述計算機(jī)的存儲器上； 步驟3通過輸入水和水蒸氣熱力參數(shù)及其組合判斷其所處相態(tài)并計算其熱力性質(zhì)；具 體步驟如下： 步驟3-1輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度:Γ1; 若273.13[SJlSl07:il5[或者 1:073·15[?：Π?Ξ2Γ73.1:5夏，則主程序 模塊判斷所述熱力學(xué)溫度Γ 1處于IAPWS-IF97的有效計算范圍，主程序模塊使飽和水按鈕 (3)、飽和蒸汽按鈕(4)置為可用；通過飽和水按鈕(3)調(diào)用1區(qū)基本方程子程序求解飽和水 的熱力性質(zhì)或者通過飽和蒸汽按鈕(4)調(diào)用2區(qū)基本方程子程序求解飽和蒸汽的熱力性質(zhì)； 否則，熱力學(xué)溫度Tl參數(shù)越界，主程序模塊使飽和水按鈕(3)、飽和蒸汽按鈕(4)置為不可 用；需重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-2輸入?yún)?shù)為壓力戶1; 若G S ΙΟΟΛφ??，則主程序模塊判斷所述壓力P 1處于IAPWS-IF97的有效計算 范圍，主程序模塊使飽和水按鈕(3)、飽和蒸汽按鈕(4)置為可用;通過飽和水按鈕(3)調(diào)用1 區(qū)基本方程子程序求解飽和水的熱力性質(zhì)或者通過飽和蒸汽按鈕(4)調(diào)用2區(qū)基本方程子 程序求解飽和蒸汽的熱力性質(zhì)；否則，壓力參數(shù)越界，主程序模塊使飽和水按鈕(3)、飽 和蒸汽按鈕(4)置為不可用；需重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-3輸入?yún)?shù)為壓力P :2與熱力學(xué)溫度J7 2的組合，主程序模塊判斷所述壓力A 2與 熱力學(xué)溫度f 2的組合是否處于IAPWS-IF97的有效計算區(qū)域； 若滿足 273.15[ S1073.15 X 且 S ΙΟΟΑφ?? 或者 1073.151:0^252273.151^ 且β2?ΟΛφα， 則所述壓力，2與熱力學(xué)溫度T 2的組合處于IAPWS-IF97的有效計算區(qū)域；否則需重新 輸入熱力參數(shù)及其組合； 在所述壓力Ii 2與熱力學(xué)溫度:Γ 2的組合處于IAPWS-IF97的有效計算區(qū)域的情況下，主 程序模塊判斷熱力學(xué)溫度T 2是否滿足273.15[ SΓ2 S 623.15Χ，同時主程序模塊 調(diào)用4區(qū)基本方程子程序判斷壓力是否滿足戶;(2^ s€ 100Λφ?2; 若滿足：2:73.:15[<72<623.15[且凡〇〇€丨2<100帥炫，則主程序模塊 調(diào)用1區(qū)基本方程子程序、2區(qū)基本方程子程序、2區(qū)補(bǔ)充方程子程序和4區(qū)基本方程子程序來計 算水和水蒸氣干度文和壓力於，并判斷其是否滿足〇且 若滿足0.95<2<1且0.00611675太^1：^/?2<10立^￡2，則主程序模塊使亞穩(wěn)態(tài) 按鈕(5)和過冷水按鈕(6)置為可用；通過亞穩(wěn)態(tài)按鈕(5)和過冷水按鈕(6)調(diào)用1區(qū)基本方 程子程序求解過冷水的熱力性質(zhì)或者調(diào)用2區(qū)補(bǔ)充方程子程序求解亞穩(wěn)態(tài)蒸汽的熱力性 質(zhì)； 若不滿足273.15[^^2<623.15[且凡(：〇€夕2￡100雄1￡1，那么調(diào)用4區(qū) 基本方程子程序、2區(qū)與3區(qū)之間邊界方程子程序并判斷熱力學(xué)溫度浐2和壓力？ 2是否滿 足： 273·15[?ΞΓ2<623·15[且 〇<丨2€凡(2^或者 623_15[S：r2i863.15[且 0<p2i/?CO或fr 86Ι3·13[?Γ2?1073·15Χ 且0</?2€?00Λφ??， 若滿足 273.15 [ S Γ2 S 623.15[且 G < P 2 S 0-)或者 623.15足 S Γ2 S 863.15[且 〇 < ? /?0-)或荇 863·15[6Γ2￡：1073·15[且0</?2€?(Κ)Αφ??， 則主程序模塊調(diào)用2區(qū)基本方程子程序計算過熱蒸汽熱力性質(zhì)； 如果不滿足 273.151SΓ2 S 623.15[且 G < p2 S&0-)或者 623.15[ S863.15[且 〇< ? /?〇〇 或荇 863.15[<Γ2<1073.15[且 0</72<1ΜΑφ??， 則主程序模塊進(jìn)一步判斷是否滿足 1073.15<Γ2<2273.15 ||.0<ρ2<10λφα, 7,:滿足1073丄5：^1*2：^2273.15||.0</?2<10聊1￡1，則主程序調(diào)用5區(qū)基本方程 求解高溫狀態(tài)水和水蒸氣熱力性質(zhì)；否則參數(shù)越界，重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-4當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力P 3與比焓I時，主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和1區(qū) 基本方程子程序計算所述壓力芒3對應(yīng)飽的和狀態(tài)比焓.?，并判斷比焓:?是否滿足&5&; 若滿足A 則主程序模塊調(diào)用1區(qū)基本方程子程序和1區(qū)反推方程子程序計算過冷水熱力 性質(zhì);若不滿足A S化則主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和2區(qū)基本方程子程序，并判斷 輸入?yún)?shù)壓力，3與比焓為是否滿足2區(qū)邊界條件要求;若滿足2區(qū)邊界條件要求則調(diào)用2區(qū) 基本方程子程序計算計算過熱蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣熱力性質(zhì);若不滿足2區(qū)邊界條件 要求則重新輸入熱力參數(shù)及其組合； 步驟3-5當(dāng)輸入?yún)?shù)為壓力A4與比熵S時，主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和1區(qū) 基本方程子程序計算壓力尹4對應(yīng)的飽和狀態(tài)比焓A，并判斷比焓&是否滿足5 ;若滿 則主程序模塊調(diào)用1區(qū)基本方程子程序和1區(qū)反推方程子程序計算過冷水熱力性 質(zhì)；若不滿足16?，則主程序模塊調(diào)用4區(qū)反推方程子程序和2區(qū)基本方程子程序，并判斷 輸入?yún)?shù)壓力與比焓#是否滿足2區(qū)邊界條件要求;若滿足2區(qū)邊界條件要求則計算過 熱蒸汽狀態(tài)下的水和水蒸氣熱力性質(zhì);若不滿足2區(qū)邊界條件要求則重新輸入熱力參數(shù)及 其組合； 步驟3-6若輸入?yún)?shù)為熱力學(xué)溫度T 3與密度P時，主程序模塊調(diào)用3區(qū)基本方程子程序 獲得所述輸入?yún)?shù)熱力學(xué)溫度T3與密度於對應(yīng)的壓力蘆:5值，并調(diào)用嫗基本方程子程序和3區(qū)基 本方程子程序邊界方程判斷熱力學(xué)溫度τ 3與壓力5是否滿足：623.15太:S TlS TX/?) 且Jj 〇T) SlOOAfia ;若滿足，則主程序模塊調(diào)用3區(qū)基本方程子程序計算處于臨 界狀態(tài)的水和水蒸氣性質(zhì)，否則重新輸入熱力參數(shù)及其組合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于虛擬儀器的水和水蒸氣相態(tài)判定算法，其特征在于： 所述1區(qū)基本方程為是以壓力和溫度為自變量的Gibbs自由能函數(shù)，氣體常數(shù)i = C.4Sl526(kj/(kgi))，無 量綱參婁1區(qū)邊界條件為：273.15尤<7^ 623.15化 且A(T) SΙΟΟ?φβ，其中仏0-)是對應(yīng)溫度的飽和壓力；5反仂思容仳為.其中，:?, < ,??硬= 11:2茨")是相關(guān)擬合參數(shù)常量。
【文檔編號】G06F19/00GK106021837SQ201510963267
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年12月21日
【發(fā)明人】李曉光, 范輝, 安國銀, 盧盛陽, 魏剛
【申請人】河北省電力建設(shè)調(diào)整試驗所