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1、面向对象的通用锅炉热力计算软件开发!钟崴，童水光，许跃敏（浙江大学，浙江 杭州!#$%）摘要 分析了锅炉传热的抽象物理模型。采用面向对象技术建立了锅炉传热的软件对象模型并讨论了建模关键技术，据此设计了通用于各炉种、炉型、燃料和用户参数的锅炉热力计算软件。关键词 锅炉；热力计算；软件开发；面向对象建模；锅炉传热模型中图分类号&!文献标识码(文章编号#$)!*+（$#）#,)#!#)#,通用热力计算软件的开发具有急切的工程需求。本文以国家“九五”-(.应用工程示范项目、杭州锅炉厂 锅炉-(.应用系统 为背景，分析了锅炉传热的抽象物理模型，研究了采用面向对象技术，用-/语言建立锅炉传热软件对象模型的
2、方法和关键技术。据此设计的热力计算软件经实践证明具有优良的准确性、通用性、易用性和可扩充性。!锅炉传热的抽象物理模型如图 所示，从传热角度看，锅炉本体中除炉膛、减温器等特殊功能部件外是一组流程交织的串并联换热器，热力计算的主要工作就是在用户参数已知、锅炉传热结构给定的前提下，求解锅炉机组稳态运行时的热工状况，包括消耗的燃料、机组的效率、各处的温度、减温器的喷水量等等。参考图，可将锅炉的传热流程抽象视为由“部件”和“流体节点”组成，其中“部件”不仅包括一般传热部件，如过热器、省煤器、空气预热器（空预器）等，还包括如炉膛、减温器、流程的分叉或汇合部件在内的特殊功能部件。“流体节点”则泛指流程中某一
3、特定位置上的烟气、蒸汽、水或空气。此时，部件的功能可统一看成是对进出部件的流体节点组进行变换，变换的种类包括流体物理状态的变换、流体种类或化学组成的变换、流体分支数的变换等，其模型如图$所示。对于一般传热部件，模型简化为 路烟气与 路工质（蒸汽、水或空气）在部件中进行换热，彼此改变物理状态。如图!所示，实际锅炉结构中，多个传热部件还可能并行地布置于烟道中，或者在一个主要传热部件的周围布置一些附加传热部件，工程中称这一组部件为一个“烟气传热区”。同一烟气传热区内的部件共同完成对进出传热区的烟气节点的变换，但对于非烟气侧的工质流体的变换是各自相对独立的。热力计算需要采用迭代方法求解，迭代算法的图!
4、典型锅炉结构的抽象物理模型研究论文!国家“九五”-(.应用工程示范项目#热力发电#!（$）万方数据图!锅炉传热模型的抽象单元图 锅炉烟气传热区模型思想是：依次从各路流体的起点出发，以拓扑上深度优先的原则按各路流体所流经部件（对烟气流程是传热区）的顺序依次执行部件对流体节点的变换计算，并对该过程进行反复迭代，使流程上游流体节点物性的准确性逐步向下游传递，并最终扩散到整个流程。!锅炉传热软件对象模型软件系统的开发总体上可划分为!个大的主题：问题域建模与求解、人机交互界面、数据及文件管理、与其它系统或设备的交互。其中问题域是软件系统的核心，其余主题围绕问题域展开。上述!个主题中的主要活动内容如图!所
5、示，其中建立问题域内的锅炉传热的软件对象模型是软件开发工作的核心和难点。由于锅炉结构千变万化，没有严格限制，不可能枚举固定的锅炉传热模型结构供用户选择使用，因而为了保证软件的通用性，总体思想上应该建立动态构造的锅炉传热对象模型，由用户在软件运行时现场搭建锅炉的传热结构。图#热力计算软件系统开发的主题内容据此分析，建立了如图 所示的以#$%&$()*$+类图描述的锅炉传热的软件对象模型结构，其中的对象可以分为,个层次。!$%描述流程组成的对象该层中的对象用于描述锅炉传热流程的结构组成。针对每-种锅炉部件，分别建立相应的部件类对其进行描述，如：过热器类*.%/0&10+20&、省煤器类*345$(
6、$6780&，部件类的属性通常包括结构参数和其它传热计算参数，每-种部件类都具有进出流体节点组变换 9:%7;&+(+&2 为它们的统一抽象表达。*+&2 不仅实现了各部件类共有特征（包括属性与服务）的共享定义，更重要的是：（-）由于基类类型的指针能够标识导出类类型的对象，因而在进行部件对象管理和流程逻辑描述时能够用*+&2!型的指针统一标识不同部件类的对象，而屏蔽部件类的类型多样性；（?）应用动态绑定技术，可使用*+&2!型的对象标识指针统一请求不同部件类对象的同种服务，如：9:%47;&+(+&272 和*9:%772 管理，其分别可视为无逻辑关系的部件对象和流体节点对象堆积的“仓库”及负
7、责维护这些对象的内存空间。研究论文热力发电 !&%（）!万方数据图!以#$%&#()#*&类图描述的锅炉传热软件对象模型+,+基本拓扑逻辑对象经过流程组成对象层的抽象封装和对象标识方法的统一，进行流程拓扑逻辑定义时可抽象地认为仅仅是组织“部件”和“流体节点”!类对象的逻辑关系。锅炉传热流程的拓扑逻辑规则可以总结如下：（）流程从流体节点和部件起点；（!）分支数不限的!种共#组流体节点分别进出部件并在其中完成变换；（$）相邻部件具有公共的流体节点；（#）对于烟气传热区，每一流体节点前后各有一个或多个直接相邻部件。记录上述逻辑规则的对象定义方法并不唯一，从便于算法实现的角度出发，分别与抽象部件类%&
8、()和抽象流体节点类%*+,-.相对应，建立逻辑部件类%/01-2&()和逻辑流体节点类%/01-2*+,-.。%/01-2*+,-.与图!所示的流程单元模型吻合，逻辑概念上以部件为中心，其中记录了对应部件对象的%&()!型的对象标识指针和进出该部件的各逻辑流体节点对象的%/01-2*+,-.!型标识指针链表。%/01-2*+,-.概念上则以流体节点为中心，其中记录了对应流体节点对象的%*+,-.!型标识指针和该逻辑流体节点后直接相邻逻辑部件（对于烟气受热区为多个逻辑部件）的%*01-2&()!型标识指针链表。由研究论文!热力发电 +-.（!）万方数据于逻辑部件对象和逻辑流体节点对象通过标识指
9、针彼此链接，从任一逻辑对象出发都可搜索出其后的全部流程拓扑，而记录锅炉传热流程的起始逻辑对象即可向后搜索出全部流程结构。链表集合类!#$%&()*%+*和!#$%&,-.%/%+*分别用于存储和管理!-#$%&()*和!#$%&,-.%/的对象，维护这些对象的内存空间。!#冗余拓扑逻辑对象虽然基本拓扑逻辑可以完备地描述各种形式的锅炉传热模型，并且从基本拓扑逻辑出发，可以搜索出其它符合特定逻辑规则的子拓扑逻辑，如：搜索属于同一烟气传热区的、拥有共同进出口烟气节点的逻辑传热部件，或从各流程的起点出发搜索本路流体按拓扑上深度优先的顺序所流经部件的子集。但如果每次这样临时搜索会大大增加系统运行时的运算
10、开销，还会造成人机交互时响应的延迟。建立冗余拓扑逻辑对象的目的，是以增加少量的程序空间复杂性为代价，换取可观的程序时间复杂性的降低。冗余逻辑对象可以与基本逻辑对象同步构造产生，也可在需要时从基本拓扑逻辑中搜索产生。总之，通过建立部件和流体节点 0 大类对象、组织这 0 类对象的逻辑关系，简单地实现了千变万化的锅炉传热模型的软件描述。这种对象模型设计上的简单性正是提高大型软件通用性、可靠性和可扩展性的关键。#问题域建模的关键技术#$动态绑定#技术动态绑定是面向对象技术中继承机制的高级应用。在!11 语言中，即在基类中以虚函数形式统一定义各种导出类对象同种服务的公共接口，而在导出类中具体定义对象服
11、务的个性化内容，从而实现了服务接口与服务内容的分离。动态绑定技术把对象服务的个性限制在其自身内部，降低了对象服务内容与外部请求对象服务代码的相关性，简化了批量请求对象服务的代码设计。此外，由于能够实现在不变更外部请求对象服务代码的前提下增加具有该服务的新的导出类，大大提高了软件的可扩充性和可维护性，这一点是面向对象程序设计的重要优越性。#!运行时对象类型鉴别根据面向对象的类型机制，标识导出类对象的基类指针将只能访问基类中定义的特征，或通过动态绑定技术访问在基类中统一定义有接口的导出类服务内容。但有时仍然需要得知被一个基类指针标识着的导出类对象的真实类型或访问对象的完整特征，故需要鉴别对象在运行
12、时的真实类型 2334（2.5 6*%78*9:8%5;#)7(*%#5）。!11 的新版本已经在语言级增加了对2334 的支持，但也可以自行在基类中记录被基类指针标识的导出类对象的真实类型。例如，图），交互搭建烟气、蒸汽、水和空气?个分流程（采用“分流程”输入拓扑逻辑的做法能够聚焦用户的“视野”，避免了描述相互交织流程的困难），定义传热部件之间的先后逻辑关系（如图），并输入其它必要的传热计算的数据后，软件就能自动迭代计算得到传热平衡解，并能自动生成 A%B&)#+#;*CD&8-格式计算说明书和其它分析报表。该热力计算软件通用于各种用户参数的室燃炉、流化床、层燃炉、余热炉等锅炉的热力计算，特
13、别能够解算存在再热蒸汽流程、二次风流程和多压余热炉等流程逻辑比较复杂的问题。该软件在杭州锅炉厂等一些厂家实际应用近两年来，深受设计人员好评，极大地提高了劳动生产率，解放了生产力。研究论文热力发电 !&$（）!万方数据图!热力计算软件的部件构造界面图 热力计算软件的流程构造界面由于锅炉技术的不断发展，新炉型、新部件、新燃料层出不穷，通用锅炉热力计算软件的开发也不可能是一劳永逸的，必须针对新问题对软件不断地进行扩充。本文应用面向对象技术设计的锅炉传热的对象模型，其高度开放性充分保证了整个软件的可扩充性和可升级性，确保了软件的生命力。#结语通用锅炉热力计算软件的开发成功，可显著提高劳动生产率。继而可
14、建立规则化的锅炉设计经验知识库，确立锅炉设计的优化指标体系，进一步开发具有对热力计算结果进行智能分析和对锅炉传热设计自动优化的智能型设计和计算软件。参考文献!钟崴，许跃敏，童水光通用锅炉热力计算算法研究#华东电力，$%，（&）$许跃敏 锅炉设计的通用热力计算模型#工程设计，!(，（)）)钟崴，许跃敏，童水光动态绑定技术的研究与应用#，计算机工程，$%，（）*邵维忠，杨芙清面向对象的系统分析+北京：清华大学出版社，!,-./010234+/5/0678/91:60;/31/4 1?20/=3A10B91;=3+$34/4C0/31;9/:D2EE F31/0321;=32E，F39!(&.0B9/G9H/EIJ;3H;3K;3 LL+C0/31;9/:D2EE F31/0321;=3M2E，!F39!-作者简介：钟崴（!(-:），男，博士，浙江大学化工机械研究所，从事机械 NO 研究及工程应用软件开发。研究论文!热力发电$%&（#）万方数据