專利名稱：一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法
一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于熱力系數(shù)的計(jì)算方法，尤其涉及一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
水蒸氣是人類在熱能間接利用中應(yīng)用最早的工質(zhì)。蒸氣距液態(tài)較近，微觀粒子之間作用力大，分子本身也占據(jù)了相當(dāng)?shù)捏w積，而且在工作過程中往往有氣液間的集態(tài)變化。 因此，蒸氣不能作為理想氣體來對待，它的物理性質(zhì)較理想氣體復(fù)雜得多，它的狀態(tài)方程、 熱力性能、焓和熵的計(jì)算式都不像理想氣體的計(jì)算式那樣簡單。蒸氣的工程計(jì)算一般是直接查取為工程計(jì)算編制的蒸氣熱力性質(zhì)圖表或電算調(diào)用蒸氣熱力性質(zhì)子程序，其熱力過程的計(jì)算分析也只能依據(jù)熱力學(xué)基本定律和熱力性質(zhì)圖表進(jìn)行。
目前蒸氣的工程計(jì)算中，涉及到水和水蒸氣焓熵值的計(jì)算通常有兩種方法。第一種是直接通過水和水蒸氣焓熵圖查詢得到。焓熵圖，又稱圖，是熱工上使用較廣的一種以焓為縱坐標(biāo)、以熵為橫坐標(biāo)的水蒸氣線圖。該方法能夠較為準(zhǔn)確的查詢水和水蒸氣熱力參數(shù)，但是由于其操作的限制，只能應(yīng)用于進(jìn)行簡單的熱工過程計(jì)算中。
第二種方法則是將水和水蒸氣熱物性計(jì)算編制成水和水蒸氣熱力性質(zhì)計(jì)算軟件。 已知飽和水、飽和蒸氣、過熱蒸氣的1個(gè)或2個(gè)熱力參數(shù)值(如壓力、溫度)，可立即查詢焓值、熵值、比容、比熱、普朗特?cái)?shù)等參數(shù)值。運(yùn)用此方法，首先需在PC機(jī)上安裝水和水蒸氣熱物性計(jì)算軟件，在使用時(shí)還需要手動輸入工質(zhì)的熱力參數(shù)。該方法的局限性在于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于對軟件的選擇，并且過程繁復(fù)，操作性差。
上述兩種計(jì)算水和水蒸氣焓熵值的方法，僅僅是根據(jù)已有的離線數(shù)據(jù)手動獲取， 或在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序中通過手動輸入水和水蒸氣測量參數(shù)獲得，而無法在線獲得，從而導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)獲取水和水蒸氣的焓熵值。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，對以水和水蒸氣作為工質(zhì)的生產(chǎn)過程，諸如基于Symphony的嵌入式火電廠機(jī)組在線性能監(jiān)測，離線的水和水蒸氣焓熵值確定方法不能實(shí)時(shí)獲得需要的熱力參數(shù)，從而無法完成對整個(gè)機(jī)組的在線性能計(jì)算
發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明提供了一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法，該方法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算水和水蒸氣焓熵值，此外，還具有精度高、計(jì)算耗時(shí)少、以及適用范圍寬的特點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法，包括以下步驟51、獲取在線水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力Λ若所獲取的在線水和水蒸氣的溫度Γ為攝氏溫度，則將其轉(zhuǎn)換為開氏溫度；52、若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 273.15Γ,則執(zhí)行步驟S3 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 623.15Γ<Γ<863.15 Γ ,則執(zhí)行步驟S4 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件863.15J <7 <1073.151,則執(zhí)行步驟S6 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 1073.15Γ <TS2273.15炙，則執(zhí)行步驟 S8 ；53、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ求取飽和線上的飽和壓力/^12，比較步驟Sl 所得水和水蒸氣壓力廣與/^口，若/^>/^12，則執(zhí)行步驟S5 ；否則執(zhí)行步驟S6 ；54、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ和Β23方程求出邊界壓力Ρ23，比較步驟Sl 所得水和水蒸氣壓力廣與/^ ，若/^/^23，則執(zhí)行步驟S7 ；否則執(zhí)行步驟S6 ；55、水和水蒸氣位于區(qū)域1，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域1公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；56、水和水蒸氣位于區(qū)域2，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域2公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；57、水和水蒸氣位于區(qū)域3，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和密度廣及區(qū)域3公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；58、水和水蒸氣位于區(qū)域5，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域5公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。
步驟Sl中水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力P由傳感器采集得到。
本發(fā)明方法適用的硬件平臺為ABB公司的DCS產(chǎn)品Symphony系統(tǒng)，在Symphony 系統(tǒng)的專用控制器BRC300當(dāng)中直接加載軟件，實(shí)現(xiàn)BRC300與DCS (Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算水和水蒸氣焓熵值，同時(shí)還具有精度高、計(jì)算耗時(shí)少、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明方法可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測以水和水蒸氣作為工質(zhì)的生產(chǎn)過程，例如，可用于監(jiān)測火電廠機(jī)組的在線性能。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明方法基于水和水蒸氣的工業(yè)用計(jì)算模型IAPWS-IF97公式和Symphony系統(tǒng)，首先通過傳感器實(shí)時(shí)測量水和水蒸氣的溫度和壓強(qiáng)，并根據(jù)其溫度和壓強(qiáng)的數(shù)值判斷水和水蒸氣所對應(yīng)的區(qū)域，然后根據(jù)水和水蒸氣所對應(yīng)區(qū)域公式計(jì)算出水和水蒸氣焓熵值，該計(jì)算結(jié)果可用于火電廠機(jī)組性能的在線監(jiān)測。
本發(fā)明方法適用的硬件平臺為ABB公司的DCS產(chǎn)品Symphony系統(tǒng)，在Symphony 系統(tǒng)的專用控制器BRC300當(dāng)中直接加載軟件，實(shí)現(xiàn)BRC300與DCS (Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信。
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施對本發(fā)明方法作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明所提出的一種在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值的方法，具體步驟如下Si、獲取在線水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力Λ若所獲取的在線水和水蒸氣的溫度Γ為攝氏溫度，則將其轉(zhuǎn)換為開氏溫度。
水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力P由傳感器采集得到，本具體實(shí)施中可采用WZP 一體化溫度傳感器和HDP503壓力傳感器分別采集水和水蒸氣的溫度Γ和壓力凡采集到的溫度r 一般為攝氏溫度，還需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的開氏溫度，即在攝氏溫度的數(shù)值加上 273. 5，即得到開氏溫度。
S2、若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件273.15Γ 623.15Γ ,則執(zhí)行步驟S3 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件623.〗5Γ 863.15Γ ,則執(zhí)行步驟S4 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件863.15Γ <Τ<1073.15Γ ,則執(zhí)行步驟S6 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件1073.151 <Τ<2Ζ13Λ5Κ ,則執(zhí)行步驟 S8。
S3、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ求取飽和線上的飽和壓力Λ2，比較步驟 Sl所得水和水蒸氣壓力P與Ρ12，若/^>/^12，則執(zhí)行步驟S5 ;否則執(zhí)行步驟S6。2χΠa
飽和壓力Λ2的求取公式為P12 = l_B + (gi _4AxCfs ] X產(chǎn), 其中，52 +W1X5 + . ，B=n-Sx32 +M4 χ51 + ， C = χ·52+ 7 + ，~ ................Γ* L — n , A 《κ)為系數(shù)，其具體取值參考IAPWS-IF97公式，IAPWS-IF97公式為國際通用工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計(jì)算公式，通過IAPWS-IF97公式可得到=Z7l= 0. 11670521452767X 104，n2= - 0. 7242 1 3 16703206 X IO6, η,= - 0. 17073846940092 XIO2, η4=0· 12020824702470XIO5,η5= - 0. 323 255503223 X IO7, η6 = 0. 14915108613530 X IO2, η7=-0. 48232657361591 X 104，η8=0. 40511340542057X IO6, η9= - 0. 23855557567849, η10= 0.65017534844798XIO3；Γ為步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度；P*和f分別為壓力系數(shù)和溫度系數(shù)，Pi = IMPa , r = 1Γ。
S4、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ和Β23方程求出邊界壓力Ρ23，比較步驟 Sl所得水和水蒸氣壓力P與PH蕪PWH則執(zhí)行步驟S7 ；否則執(zhí)行步驟S6。
根據(jù)公式5=i、^ = ^4+(——和TT= ^可推導(dǎo)出似3方程= 4)2+ ]χΡ·,根據(jù)該Β23方程求出邊界壓力巧3 ；其中，5和π為自定義參數(shù)，用來中間計(jì)算； Γ為步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度； P*和Γ'分別為壓力系數(shù)和溫度系數(shù)，f ^lMPa , r = IK ；/ 3 / 5為系數(shù)，其具體取值參考IAPWS-IF97公式，通過IAPWS-IF97公式可得到 / 3=0. 10192970039326 X IO-2,/ 4 = 0. 57254459862746 X IO3, / 5=0. 139 1 88 3 9 7 7 8 8 70 X 102。
S5、水和水蒸氣位于區(qū)域1，區(qū)域1即為常規(guī)水區(qū)，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度r和壓力α及區(qū)域ι公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。34
區(qū)域1 公式為自由焓方程§(7^)=辦7><2>;><(7.1-勸5)<&-1.222)』，_ ^“ιg(7,F)為區(qū)域1內(nèi)水和水蒸氣焓熵值，其中和為自定義參數(shù)，冗=‘，^=；!；; π τP* Τ*P'和尸分別為壓力系數(shù)和溫度系數(shù)，P* =\S.53MPa , Τ* =YmK ； r和廣分別為步驟SI所得水和水蒸氣的溫度和壓力； /P為自然指數(shù)；系數(shù)A、指數(shù)和的具體取值均參考IAPWS-IF97公式。
S6、水和水蒸氣位于區(qū)域2，區(qū)域2即為過熱蒸氣區(qū)，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域2公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。
區(qū)域2公式為無因次比自由焓方程g(r,P) = i xr:</(Xr)+汽孔r), g(T，P)為區(qū)域2內(nèi)水和水蒸氣焓熵值，其中43/(π，τ) = ln/r+2 °爪足,表示理想氣體部分的無因次比自由焓函數(shù)； ^(τγ/Γ) =x("r_0-5)J"r,為余項(xiàng)；ρ τ禾口為自定義參數(shù)，汗=—,τ=—；Pt和廣分別為壓力系數(shù)和溫度系數(shù)，P* =IMR3 , r = 540Γ ； /P為自然指數(shù)；r和廣分別為步驟si所得水和水蒸氣的溫度和壓力； 系數(shù)A、指數(shù)和^的具體取值均參考IAPWS-IF97公式。
S7、水和水蒸氣位于區(qū)域3，區(qū)域3即為臨界水區(qū)和飽和區(qū)，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度r和密度P、及區(qū)域3公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。
區(qū)域3公式是基于(赫姆霍茲)自由能f的計(jì)算公式，該公式適用于40亞穩(wěn)態(tài)氣液兩相區(qū)，區(qū)域3公式為/(ΑΤΚΗχΙΙ^+ΣΜΧ^ΧΤ^ΧΛΧΓ, 夂為區(qū)域ItJipX)3內(nèi)水和水蒸氣焓熵值，其中和為自定義參數(shù)，5= δ τP Τ*P*和Τ·分別為密度系數(shù)和溫度系數(shù)，^= 322 /^3, r = 64 .096Κ ；Γ為步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度；-力水和水蒸氣的密度，密度由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值； /P為自然指數(shù)；系數(shù)A、指數(shù)和的具體取值均參考IAPWS-IF97公式。
S8、水和水蒸氣位于區(qū)域5，區(qū)域5為新增高溫區(qū)，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度r和壓力Α及區(qū)域5公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。
區(qū)域5公式是基于(吉布斯)自由能g的計(jì)算公式，該公式適用于非離解 7K，區(qū)域5公式為= 疋T) +汽？為區(qū)域5內(nèi)水和水蒸氣焓熵值，其中
權(quán)利要求
1.一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟51、獲取在線水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力Λ若所獲取的在線水和水蒸氣的溫度Γ為攝氏溫度，則將其轉(zhuǎn)換為開氏溫度；52、若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 2 3Λ5Κ <Τ< Β23Λ5Κ ,則執(zhí)行步驟S3 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 623Λ5Γ <7^863.151 ,則執(zhí)行步驟S4 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 863.15Γ <Γ<1073.15Γ ,則執(zhí)行步驟S6 ；若步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ滿足條件 1073.1<Γ<2273.15Κ，則執(zhí)行步驟 S8 ；53、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ求取飽和線上的飽和壓力/^12，比較步驟Sl 所得水和水蒸氣壓力廣與/^口，若/^>/^12，則執(zhí)行步驟S5 ；否則執(zhí)行步驟S6 ；54、根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣的溫度Γ和Β23方程求出邊界壓力Ρ23，比較步驟Sl 所得水和水蒸氣壓力廣與/^ ，若/^/^23，則執(zhí)行步驟S7 ；否則執(zhí)行步驟S6 ；55、水和水蒸氣位于區(qū)域1，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域1公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；56、水和水蒸氣位于區(qū)域2，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域2公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；57、水和水蒸氣位于區(qū)域3，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和密度廣、及區(qū)域3公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出；58、水和水蒸氣位于區(qū)域5，根據(jù)步驟Sl所得水和水蒸氣溫度Γ和壓力A及區(qū)域5公式在線計(jì)算水和水蒸氣焓熵值并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法，其特征在于步驟Sl中水和水蒸氣熱力參數(shù)溫度Γ和壓力P由傳感器采集得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水和水蒸氣焓熵值的在線計(jì)算方法，方法基于水和水蒸氣的工業(yè)用計(jì)算模型IAPWS-IF97公式和Symphony系統(tǒng)，首先通過傳感器實(shí)時(shí)測量水和水蒸氣的溫度和壓強(qiáng)，并根據(jù)其溫度和壓強(qiáng)的數(shù)值判斷水和水蒸氣所對應(yīng)的區(qū)域，然后根據(jù)水和水蒸氣所對應(yīng)區(qū)域公式計(jì)算出水和水蒸氣焓熵值。本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算水和水蒸氣焓熵值，同時(shí)還具有精度高、計(jì)算耗時(shí)少、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明方法可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測以水和水蒸氣作為工質(zhì)的生產(chǎn)過程。
文檔編號G01N25/00GK102495094SQ20111042562
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者方彥軍, 李昕, 韓玲 申請人:武漢大學(xué)