硅谷杂志：Matlab在锅炉课程设计编程中的应用 |
| 2012-12-11 10:45 作者：徐芳 于婷俐 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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[硅谷网12月11日文]据《硅谷》杂志2012年第18期刊文，针对学生这一群体，提出采用Matlab编写锅炉课程设计程序。程序编写方法简单、语法易懂，非常适合学生这类非计算机专业人员编制。并且通过编写Matlab调用C语言的接口程序得到热力计算过程中涉及到的水和水蒸汽的物性参数。通过实例验证，本程序计算结果具有很强的准确性。
0引言
对于每一名热能动力工程及相关专业的学生在学习完锅炉原理这门课程之后都要进行锅炉原理课程设计，作为重要的教学实践环节，学生通过课程设计可以对所学相关知识进行巩固、充实、提高。现在大多数院校在进行锅炉课程设计时，同学们普遍采用手算方法，然而热力计算是一个极其繁琐复杂的过程，涉及的参数众多、计算过程复杂并且需要多次迭代计算，手算存在计算速度慢、耗时长、准确度低等问题[1]。
1MATALAB编写计算程序
1.1MATALAB与EXCEL相结合编写锅炉课程设计程序
针对学生这一编程能力较弱的群体，本文提出采用Matlab与Excel相结合的方法编写锅炉热力计算程序。对于大多数高等院校都开设了Matlab这门课程，对于没有学习过这门课程的同学来说，Matlab与其他编程方法有很多相通之处，短时间即可掌握，同时与VB、C++、Fortran等语言相比具有编程方便简洁，语法易懂的优点[2]。同时Excel具有清楚明了、易于操作的优点。Excel表格用于承载所有热力计算过程中的输入和输出数据。如果已知参数改变，仅需要改变Excel表格中的数据即可，对其他程序没有影响[3]。该编程方法计算速度快，准确程度高，编程方法简单，易于操作，对于学生这一群体编写锅炉热力计算程序具有无法比拟的优势。
本文以1973年前苏联《锅炉热力计算标准方法》为理论依据，针对锅炉课程设计指导书中一台SG-400/140-50415锅炉采用Matlab与Excel相结合的方法进行编程。热力计算过程采用模块化结构，将燃烧产物、热平衡、炉膛、后屏过热器、对流过热器、高温再热器、转向室、低温再热器、旁路省煤器、主省煤器、空气预热器分别编写独立的M文件，最后通过一个主M文件调用各个M文件，即可完成整个热力计算过程。当需要修改某一设备参数时，只需要改动独立的M文件，不会影响其他设备的计算，具有很强的独立性[4]。
热力计算程序流程大致分为以下几个方面：
1）燃料与燃烧产物计算和锅炉热平衡计算；
2）炉膛热力计算；
3）后屏过热器、对流过热器热力计算；
4）高温再热器、转向室、低温再热器热力计算；
5）旁路省煤器、主省煤器和空气预热器热力计算；
6）热空气温度及排烟温度校核[5]。
1.2编写Matlab调用C语言的接口程序
热力计算过程中涉及到计算水和水蒸汽的温度、焓值、比热等物性参数。文中采用IF97公式计算水和水蒸汽的物性参数，它是目前国际公认的最准确的水和水蒸汽的热力性质计算公式。IF97将整个区域划分为5个区域，每个区域又划分为若干个子区域，计算过程十分复杂。由于本校老师已经用C语言编写过IF97公式的程序，只要编写Matlab调用C语言的接口程序就可以避免重复编程，减少很大的工作量。在Matlab中可调用的C语言程序称为MEX文件。Matlab能够直接把MEX文件视为它自身存在函数调用，能够自动载入并执行MEX文件。MEX文件中，Matlab是程序的主体，MEX文件是被Matlab调用的子程序。
以已知温度、压力求焓值为例，编写接口函数mexFunction的过程如下所示。
VoidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[])
{
double*t2;
doublep2,h2;
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);
t2=mxGetPr(plhs[0]);
p2=*(mxGetPr(prhs[0]));
h2=*(mxGetPr(prhs[1]));
pt(p2,t2,&pt2);
*h1=pt2.h;
}
在Matlab工作空间中将MEX文件编译成功后，当计算过程已知给水温度为235℃、压力15.68MP，求焓值时只需如下编写就可以得到给水焓值，在C语言编写水蒸汽物性参数过程中，压力的单位运用的是KP。
gswd=235；%给水温度
gsyl=156.8；%给水压力
gsh=HZ(gsyl,gswd)；%给水焓值
2.3插值法确定图标中对应参数值
在热力计算过程中，为了简化计算，使用了许多线算图、曲线、表格。对于图表的处理，可采用曲线拟合、插值等原理确定。在计算初期尝试过曲线拟合的方法，存在着个别数值与实际值存在10%以上误差的现象，同时进行线性回归时涉及到很多数学原理，对于数学基础差的同学存在着很大的困难。当采用插值法时，只要选取的数据足够多，就会得到令人满意的结果，并且计算速度完全满足计算要求。文中以屏的修正系数为例，
当zhxs=0.96时屏修正系数计算结果为0.765，结果与查图结果一致，计算准确性很高。
2举例应用
课程设计指导书中已知参数如表1所示，本程序计算结果及书中结果如表2所示。
表1课程设计指导书中已知参数
名称 单位 数值
锅炉蒸发量
420
再热蒸汽流量
350
给水温度 ℃ 235
过热蒸汽温度 ℃ 540
再热蒸汽温度 ℃ 330
环境温度 ℃ 20
表2本程序计算结果及书中计算结果
名称 单位 书中结果 程序结果
炉膛出口烟温 ℃ 1109.5 1105
排烟温度 ℃ 145 143
锅炉效率 % 89.92 90.13
本程序计算结果与书中计算结果最大相对误差为1.3%，在热力计算标准所允许的范围内，因此，该程序运用到锅炉热力计算中是可靠的。
3结论
1）采用Matlab编写锅炉热力计算程序编程方法简单、易于操作，非常适合学生这类编程基础较差的人群使用。
2）已有IF97C语言程序基础上编写Matlab调用C语言接口程序，方法简单，避免重复编程。
3）对于图表的处理，采用插值法确定对应参数点的值，与曲线拟合相比准确性较高，方法简单，对于数学基础要求不高，并且计算速度完全满足要求。
4）与课程设计指导书结果相比较，得到该程序计算准确性极高，在误差允许范围内。
作者简介：
徐芳（1986-），女，助教，东北电力大学教务处仿真中心工作。 |
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