基于Excel的汽轮机热力特性计算工具

河北建投承德热电有限责任公司 李长松

伴随国家电力事业迅速发展，新建大容量汽轮发电机组迅速增加，电厂对机组的经济性要求越来越高。而汽轮机热力性能试验对汽轮机设计和制造技术的发展和进步、汽轮机组的运行优化、状态监测及评估、技术改造、经济性和安全性评价等方面起到重要的作用。为适应日趋增加的汽轮机热力特性试验工作任务，有必要采用更高效、准确、使用方便的热力试验计算工具。

1 Excel 应用软件及VBA

Excel 为微软Office 办公软件的表格处理程序，它的基本功能是数据记录、计算与分析，生成报表及图表，更适于进行专业科学统计运算及大量数据的计算分析。VBA 全称Visual Basic For Application，是建立在Office 中的一种应用程序开发工具。Excel 本身内置大量函数，但对于一些复杂、特殊的数据处理或运算并不实用，VBA 可以对Excel 进行二次开发，有效地自定义和扩展Excel 的功能。

2 汽轮机热力试验工具

本计算工具设计为进行汽轮机考核试验，因此主计算流程完全符合ASME PTC6-1996全面试验要求。本计算工具主要功能包括IAPWS-IF97或IFC67选择、数据输入与处理、辅助流量计算与整理、不明泄漏率计算、试验热力特性计算、一类修正、修正曲线处理、二类修正、其它修正计算、逻辑关系查询、膨胀曲线绘制、数据输出、辅助热力系统定量分析等。由于汽轮机热力特性试验计算数据量大、计算繁琐，因此本计算工具以试验计算流程及热力系统划分模块，模块内数据及计算集中布置并行列归类，所有主要计算模块按逻辑关系就近布置在同一张表单内，方便查找逻辑关系、发现问题及修改。

本汽轮机热力试验计算工具采用成熟的水和水蒸汽性质计算模块，该模块做成动态链接库（Dll），同时包含IFC-67公式和IAPWS-IF97公式，通过VBA 程序调用动态链接库，实现水和水蒸汽公式及函数调用，在计算过程中，通过切换计算公式标准功能可方便地选择采用IFC-67公式或IAPWSIF97公式计算，这就使本计算工具适用于采用不同水和水蒸气性质计算公式的机组，对于采用IFC-67公式计算的机组，可对比该机组采用IFC-67公式和IAPWS-IF97公式计算结果的差别，根据试验数据差距分析在今后计算中改用IAPWS-IF97公式计算。

2.1 数据输入与处理

汽轮机热力特性试验数据量大，试验通常采用数据采集系统，试验结束后将试验结果通过Excel加载宏导入本计算工具；本计算工具可实现试验过程中在线监测机组热力特性试验，配合数据采集系统及DDE 动态数据连接，在试验过程中实时导入试验数据，在线计算机组当前热力特性，包括机组试验热耗、各缸缸效率、排汽焓、主再热器压损、抽汽管道压损、加热器端差及温升、绘制机组膨胀曲线等。

在线计算功能，可在试验前根据在线计算结果发现试验存在的测点问题，掌握机组热力系统的基本情况以便及时采取应对措施，确保试验正确性、准确性及高效率。需说明的是，在线计算应采用给水流量作为主流量的计算方式。在线计算同样可进行机组一类及二类修正，但只作为试验过程中的参考。对于试验结束后导入的数据通过数据处理模块处理，处理内容包括选取试验有效时间段、判断数据有效性、测点试验值确定。数据处理模块为在VBA 中编写的宏，对导入的数据进行批量处理，所用函数均为Excel 集成函数。

2.2 辅助流量计算与整理

工具中的流量计算采用流量计算模块完成，通过调用流量计算模块中的函数，可计算出不同流量测量装置的流量。流量计算模块设计符合GB/T 2624《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》。可计算流量包括ASME 喷嘴、1932喷嘴、长径喷嘴、孔板、文丘里喷嘴。

汽轮机热力特性计算中的辅助流量较多，且不同机组辅助流量管道布置不同，计算过程中易出错。本计算工具将辅助流量集中在一个模块中处理，模块为表格形式，表格行为不同辅助流量、列为不同辅助流量汇入或流出处，表格最后一行分别为辅助流汇入热力系统各抽汽段流量总和，表格最左侧为辅助流量携带流出汽轮机的能量，且模块中用蓝色表示辅助流量出汽轮机的流量或能量、用红色表示进入汽轮机的流量或能量，这样将辅助流量分布在二维表格中并按行列归类求和，在主机能量及流量平衡计算过程中只用到辅助流量模块的求和项。当热力系统发生变化时，计算前将辅助流量数据按照实际热力系统布置链接到辅助流量模块对应单元格即可完成辅助流量处理，在其它计算步骤中不必考虑，这样只要将各个辅助流量正确的链接到辅助流量模块表格内，就不会因辅助流量造成计算结果错误或误差。

2.3 不明泄漏率计算

此模块用于计算试验过程中，机组不明泄漏率及泄漏量，汽机侧、锅炉侧不明泄漏量分配，模块根据凝汽器、除氧器、汽包（如有）几何尺寸，试验期间水位变化及试验期间汽水参数计算机组不明泄漏量等。

2.4 试验热力特性计算

此汽轮机热力系统计算工具包括回热系统计算、主机流量及能量平衡计算两部大部分。回热系统计算模块可切换至给水流量为主流量进行计算，但默认采用凝结水为主流量。两个模块中回热系统计算模块每一列为一个加热器，并排8列分别为3台高加、除氧器及4台低加，每列最后显示试验加热器上下端差及抽汽压损；主机流量及能量平衡模块每行为一段抽汽或进、排汽，参数由高到低排列，每行最后一个单元格显示试验缸效率或管道压损。两个模块布置相对集中，便于查找逻辑关系及修改。主机流量及能量平衡模块中红色的单元格表示进入汽轮机的能量或流量，蓝色表示流出汽轮机的能量或流量，以方便计算整机能量、流量平衡计算。

计算高加、除氧器及低加时需假设给水流量及膨胀线终点焓（ELEP），并迭代确定最终给水流量，计算ELEP 还需计算机组能力平衡，最终迭代确定。具体计算方法这里不详述。需指出的是在Excel 中迭代计算的方法，采用Excel 集成的单变量求解功能，在模块中添加迭代按钮，单击按钮执行迭代过程代码，完成机组试验热力特性计算，迭代过程代码如下：

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

低加计算中末两级低加抽汽有可能是湿蒸汽，过热度不足15℃，而不能直接求出抽汽焓，此时应由试验低压缸膨胀曲线及试验抽汽段压力确定，计算过程中先预设ELEP，然后根据试验低压缸进汽点、膨胀线终点所确定的膨胀曲线（直线）及试验段抽汽压力查得抽汽段焓值，本计算工具采用VBA函数实现，函数参数包括低压缸进汽点参数、膨胀线终点参数、试验抽汽段参数，调用函数时函数先计算抽汽段蒸汽过热度，如过热度大于15℃则根据抽汽段温度压力直接求出抽汽段焓值，如过热度小于15℃则根据试验低压缸进汽点、膨胀线终点所确定的膨胀曲线（直线）及试验段抽汽压力查得抽汽段焓值，具体采用二分法迭代，先选取低压缸膨胀线中点熵值，比较此熵值和抽汽段压力确定的焓值与此熵值对应低压缸膨胀线焓值的大小，从而确定下一次迭代区间并进行下一次迭代，直至比较两个焓值差达到精度要求以内。此函数可自动判断抽汽段过热度，选择如何计算试验抽汽段焓值，提高了试验计算的效率。

2.5 一类修正计算

第一类修正又称为系统修正，一类修正包括加热器端差、抽汽管道压损及散热损失、系统储水量变化、凝泵及给水泵焓升、凝结水过冷度、补水流量、锅炉减温水等。第一类修正是将试验循环修正到规定循环，具体修正方法这里不详述。第一类修正采用迭代算法，本计算工具为实现迭代功能设计了迭代模块。模块中有试验数据表、迭代输入表、迭代输出表，试验数据表内为机组试验热力特性数据，迭代输入表内为迭代输入数据，迭代输出表内为迭代输出数据。通过VBA 编写宏可方便地实现迭代过程。迭代最终只显示最总一次迭代输入与输出数据，迭代终止条件为迭代输入机组各段抽汽压力与迭代输出压力之比均小于0.01%。

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

一类修正时为保证汽轮机各缸效率不变，膨胀线为分段确定，先确定主蒸汽、高排参数不变。其次ELEP 不变，因此对于低压缸，当新的进汽压力确定后，进汽焓的确定要保证低压缸效率（对ELEP 点）不变，根据连通管压降确定中排压力，中压缸排汽焓等于低压缸进汽焓，这样中压缸排汽点随之确定。同样，再热器焓仍然是中压缸排汽压力、排汽焓、新的再热器压力和试验缸效率下得出[1]。

本计算工具中低压缸进汽焓和再热器焓同样采用函数调用计算，一类修正过程中各段抽汽焓通过抽汽段压力、对应缸的膨胀曲线确定。函数调用参数包括对应缸体的进、排汽压力及焓，抽汽段压力，程序实现方法参考试验热力特性计算中末两级抽汽焓计算函数。

2.6 膨胀曲线绘制

汽轮机膨胀过程线直观反映汽轮机热力特性。本热力试验工具可绘制试验汽轮机膨胀过程线及一类修正机组膨胀过程线。汽轮机膨胀过程线绘制采用EXCEL 的图表绘制功能。膨胀过程线绘制可在在线试验过程中绘制，有助于试验过程中观察及了解机组热力特性，及时发现机组缺陷及试验测点问题；本工具可绘制一类修正后汽轮机膨胀线，同时通过对比试验汽轮机膨胀线并对一类修正各段抽汽焓进行调整，使一类修正膨胀线趋势趋于试验膨胀线，这样一类修正过程中各段抽汽焓确定更符合机组实际热力特性。

2.7 逻辑关系查询

汽轮机热力特性试验计算数据量大、计算繁琐，为方便试验人员修改及查错，本工具具有逻辑关系查询功能，此功能运用Excel 的追踪引用单元格及从属单元格函数为基础，通过VBA 编程并设置操作快捷键，方便使用本计算工具的用户进行热力特性计算的逻辑关系查找、修改，尤其便于多单元格逻辑关系查看操作。

2.8 其他功能

本计算工具还包括二类修正、其它修正计算、数据输出、辅助热力系统定量分析等功能。

3 结语

本汽轮机热力试验计算工具基于Excel 的开发，计算过程符合ASME PTC6—1996试验规程要求，以Excel 为主界面并结合VBA 编程完成。计算可以选择采用水、水蒸汽热力学性指标IAPWS-IF97或IFC67。希望通过本计算工具可提高汽轮机热力试验计算正确性及效率。本工具设计完成时间比较短，先后分别用于不同机组考核试验及机组改造试验，并在使用过程中不断修改、完善并扩展，使用的过程中能够做到计算的准确、便捷及高效。