[發明專利]應用于嵌入式監測設備的IAPWS-IF97物性冪次計算方法

在審

• 申請號: 201410837601.8
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104461450A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 劉爭光;程懋華;孫振業
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F7/552
• 分類號: G06F7/552
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李昊

技術領域

本發明涉及一種應用于嵌入式監測設備的IAPWS-IF97物性冪次計算方法，屬于工業過程監控技術領域。

背景技術

水和水蒸汽作為典型的常規工質被廣泛應用于動力工程、能源化工及相關科學領域，因此，水和水蒸汽的熱力性質計算就成為工程設計、科學研究工作中必不可少的基礎工作。對其物性參數能否經行快速、準確地求取，有利于熱力系統的運行調試、性能檢測以及優化控制系統的穩定性。

目前，被廣泛采用的水和水蒸氣物性公式是IAPWS-IF97公式。IAPWS-IF97公式基本形式為多項式。每一個公式由幾項至幾十項相加組成。每一項因子分別由兩個自變量冪的乘積組成。多項式中冪指數不是i，而是i對應的離散整數。IF97公式的基本計算對象是：二元、離散整指數冪值。IF97公式的快速算法關鍵就是二元、離散整指數冪值的快速計算。多年來，有大量基于IAPWS-IF97公式的計算方法被研究和開發出來：

參見圖1，為現有的直接利用IAPWS-IF97公式使用軟件的計算方法，具體步驟如下：

1、輸入兩個已測得的水和水蒸氣物性參數(如P-壓力，T-溫度，v-比容，H-焓，S-熵，x-濕度)；

2、根據輸入的水和水蒸氣的物性參數求取該參數所在的算法分區；

3、對非飽和區參數，使用IAPWS-IF97公式計算，其中冪計算調用程序設計語言數學庫中的冪函數；

4、對飽和區參數，使用IAPWS-IF97公式計算，其中冪計算調用程序設計語言數學庫中的冪函數；

5、對水和水蒸氣其他熱力性質的計算(如：粘度，比熱，導熱系數，絕熱焓降等)，其中冪計算調用程序設計語言數學庫中的冪函數；

6、輸出所需的水和水蒸氣的物性參數和其他熱力性質參數。

這種計算方法程序簡單，但因為公式中部分冪次被重復計算，速度不高。這樣如果在服務器端運用這種方法計算水和水蒸氣物性會造成服務器始終處于高荷載狀態，降低服務器的可靠性；如果是在嵌入式系統中運行會受限于硬件的性能和電池的容量，計算性能和持久性得不到保證。

參見圖2，為現有的對IAPWS-IF97公式進行人工分析和重構的計算方法，具體步驟如下：

1、對IF97公式人工進行分析，找出公式中所有可能重復計算的冪次；

2、將這些冪次分離出來，并計算出其結果；

3、重構IF97公式，在遇到重復的冪次時直接使用之前計算好的計算結果回代；

4、輸出所需的水和水蒸氣的物性參數和其他熱力性質參數。

這種計算方法消除了一些冪次的重復計算，計算速度快。但這類方法是人工尋找重復冪次，結果正確如何和重復冪次的減少程度完全取決于分解人的細心、耐心，結果有很大不確定性，對應的軟件也幾乎不具備可維護性。

IAPWS-IF97水和水蒸汽物性的計算方法主要運用于以下三種設備中：

儀表，如流量計等。這類設備需要快速地對水和水蒸汽的物性(如比容)進行計算。

嵌入式監測設備，如火電廠嵌入式繼電保護設備。這類設備需要快速地對水和水蒸汽物性進行運算分析，及時處理故障，確保電廠電網系統安全運行。

以上兩類設備，由于對體積的要求，主要使用單片機進行計算和數據處理。由于單片機的計算能力和計算資源有限，在對水和水蒸汽的物性進行計算的時候，不可能使用完整的IAPWS-IF97公式，一般的，廠家為了快速計算獲得水和水蒸汽物性，使用IAPWS-IF97公式的近似公式，對計算進行相應的簡化。這樣做會產生兩種影響：一是使用近似公式進行計算，雖然滿足了計算速度的要求，但是計算精度不夠；二是不同的廠家會使用各自認為相對準確的IAPWS-IF97近似公式，這樣對水和水蒸汽物性的近似計算上就沒有統一的標準。

在線監測信息管理服務器上。在服務器端，雖然計算速度和計算資源比嵌入式設備好很多，但是使用本專利提出的計算方法對水和水蒸汽的物性進行計算，可以大大降低服務器的負載，從而節省出更多的資源進行其他的復雜運算。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供應用于嵌入式監測設備的IAPWS-IF97物性冪次快速計算方法，使計算速度得到了大幅度的提高，讓嵌入式監測設備計算能力有限的單片機依然可以實現IAPWS-IF97水和水蒸氣物性的實時計算。同時，本計算方法并沒有破壞IAPWS-IF97公式的結構或對公式做任何的近似，能保證水和水蒸汽物性計算結果的精確度。