直接型空冷島風(fēng)機智能控制系統(tǒng)研究

童宇衡　謝紫瑩　黃悠然　萬宇輝

摘要：系統(tǒng)采用光纖光柵溫度傳感技術(shù)對空冷島的空冷凝汽器翅片管面進行溫度監(jiān)測，可實現(xiàn)大面積多點分布式溫度監(jiān)測，對采集到的實時溫度數(shù)據(jù)進行處理后，調(diào)節(jié)單個軸流風(fēng)機功率使其達到最佳轉(zhuǎn)速，能夠節(jié)省大量由于人為調(diào)節(jié)不及時而浪費的電能，也提高了翅片管面溫度檢測的實時性，解決了空冷系統(tǒng)冬季運行時翅片管凍結(jié)的安全隱患。

關(guān)鍵詞：直接型空冷島；風(fēng)機智能控制系統(tǒng)；光纖傳感；溫度；節(jié)能；防凍 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP323 文章編號：1009-2374（2015）28-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.009

1 研究背景及意義

空冷技術(shù)作為一種新型的火電廠冷卻技術(shù)，相比于傳統(tǒng)水冷技術(shù)，能夠節(jié)省65%～80%的水資源。直接空冷技術(shù)即用空氣直接冷卻汽輪機排汽，汽輪機排汽通過排汽管送到戶外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流風(fēng)機使空氣流過散熱器外表面，使乏汽凝結(jié)為水進入熱井，再經(jīng)凝結(jié)水泵送入汽輪機的回?zé)嵯到y(tǒng)。直接型空冷系統(tǒng)具有節(jié)省水資源、成本較低、減少環(huán)境污染等優(yōu)點，但隨著空冷機組數(shù)目的不斷攀升和空冷系統(tǒng)風(fēng)機功率的大幅提升，空冷系統(tǒng)中存在的問題也逐漸明顯：由于空冷系統(tǒng)的規(guī)模過于龐大，現(xiàn)有技術(shù)上難于實現(xiàn)大規(guī)?？绽淠骺諝鉁y溫度監(jiān)測。傳統(tǒng)的電類傳感器在空冷島現(xiàn)場安裝困難，采購、安裝和維護成本較高，且很難避免對原有流動場和溫度場產(chǎn)生干擾。截至目前，尚無完善的空冷島溫度場監(jiān)測系統(tǒng)；目前多采用人工測溫手動調(diào)節(jié)大功率軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，造成了電能的大量浪費。同時，由于蒸汽隔離閥不嚴(yán)，空冷系統(tǒng)在冬季啟停機、正常運行及事故情況下都易出現(xiàn)空冷凝汽器凍結(jié)的現(xiàn)象。

針對直接型空冷機組現(xiàn)狀，提出了一種直接型空冷島風(fēng)機智能控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)機組相比，其可實現(xiàn)以下功能：（1）實時大面積多點分布式溫度監(jiān)測；（2）精確調(diào)節(jié)單個軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速使其達到最佳轉(zhuǎn)速，能夠節(jié)省大量由于人為調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電能浪費；（3）改善了冬季空冷系統(tǒng)因翅片管凍結(jié)而造成的機組故障問題，帶來了大量的經(jīng)濟效益。

2 設(shè)計方案

本系統(tǒng)由兩個部分構(gòu)成：（1）實時測溫及軸流風(fēng)機控制模塊：通過對空冷島上空冷凝汽器翅片管溫度的實時監(jiān)測，將數(shù)據(jù)傳回控制模塊，數(shù)據(jù)處理后優(yōu)化算法，調(diào)整軸流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，節(jié)省驅(qū)動風(fēng)機所消耗的電能；（2）智能控制及上位機監(jiān)控模塊：進行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測控制各模塊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機交互，保證系統(tǒng)的正常運行。

2.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

本作品采用了分布式光纖光柵傳感技術(shù)，在一根光纖上串接成百上千個光纖光柵溫度傳感器，根據(jù)理論研究與實際運行經(jīng)驗，通常逆流單元比順流單元更容易結(jié)冰，尤其是在逆流單元的上部，并且在順流單元與逆流單元的上部區(qū)域的交界處，溫度偏差可達10℃以上。因此，本作品在逆流單元、逆流單元上部邊緣區(qū)域、順流與逆流單元相鄰處密集布置溫度測點，在順流單元稀疏布置測溫點，從而實現(xiàn)大范圍空冷島上翅片管的多點分布式溫度監(jiān)測。測點布置原理圖如圖1所示：

光纖傳感溫度測量解調(diào)部分使用反射率低于0.1%的弱光柵構(gòu)成TDM傳感網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用能力。結(jié)合OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）技術(shù)與掃描激光技術(shù)，實現(xiàn)TDM傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)。使用一組不同波長的脈沖光就能獲取光纖上所有光柵反射光的詳細光譜信息，在一根光纖上等距刻制多個全同（中心波長相同）的光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，通過OTDR來標(biāo)定不同位置光柵返回的信號，利用光柵返回信號的光譜信息解調(diào)出不同溫度下FBG傳感器的波長，進而得到實時溫度數(shù)據(jù)。

2.2 風(fēng)機智能控制系統(tǒng)

根據(jù)實時采集的翅片管溫度數(shù)據(jù)，通過軸流風(fēng)機控制算法，調(diào)節(jié)單個軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速：根據(jù)相關(guān)理論研究和實驗數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速的依據(jù)是直接型空冷島汽輪機排汽壓力，即背壓，而背壓由空冷凝汽器壓力直接影響。本方案通過光纖光柵傳感器測回的大量溫度信息，得到實時的空冷凝汽器壓力數(shù)據(jù)，繼而推算出當(dāng)前汽輪機的排汽壓力數(shù)據(jù)，在沒有超過阻塞背壓的前提下，機組功率將隨著排汽壓力的降低而增大，同時風(fēng)機消耗功率也隨之增加。因此，當(dāng)發(fā)電功率的增量與對應(yīng)風(fēng)機耗功之差取最大值時，所對應(yīng)的風(fēng)機轉(zhuǎn)速即為最佳值。通過上位機監(jiān)控實時的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過軸流風(fēng)機控制算法優(yōu)化后，得到最佳風(fēng)機轉(zhuǎn)速，依此自動調(diào)節(jié)單個風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使其達到最佳轉(zhuǎn)速。算法流程如圖2所示：

軸流風(fēng)機控制算法：（1）對該風(fēng)機對應(yīng)范圍內(nèi)溫度測試點進行有效值檢測，剔除與周圍溫度相差極大的誤點，然后對其余有效溫度數(shù)據(jù)使用均值濾波，得到當(dāng)前時刻對應(yīng)的翅片管溫度值并儲存，在一個較短的時間周期內(nèi)對該范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)采用上述方法進行多次采集并儲存。（2）由測量的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的空冷凝汽器壓力pt。（3）確定汽輪機排汽壓力，即背壓pb；pb=pt-p1-p2；p1為排汽管道壓力損失，Pa；p2為水蒸汽柱引起的壓差，Pa。（4）確定該排汽壓力下機組功率增量pe；pe=Ga（hd-h）；Ga為機組排汽量，kg/s；hd為設(shè)計機組排汽滯止焓，J/kg；h為變工況機組排汽滯止焓，J/kg。（5）確定風(fēng)機功耗M；M=G*p/（ρ*e1*e2*e3）；G為風(fēng)機空氣流量，kg/s；p為風(fēng)機全壓，Pa；ρ為實際環(huán)境狀態(tài)下空氣密度，kg/m?；e1為風(fēng)機效率；e2為原動機效率；e3為傳動效率。（6）由于在機組負荷和環(huán)境條件一定時，提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速，可降低排汽壓力，在沒有超過阻塞背壓的前提下，機組功率將隨著排汽壓力的降低而增大，同時風(fēng)機消耗功率也隨之增加。當(dāng)發(fā)電功率的增量與對應(yīng)風(fēng)機耗功之差取最大值時，所對應(yīng)的風(fēng)機轉(zhuǎn)速即為最佳值。因此，軸流風(fēng)機控制算法最終輸出該風(fēng)機的最佳轉(zhuǎn)速值。

3 創(chuàng)新性

（1）實時溫度監(jiān)測。利用光纖光柵傳感技術(shù)實時監(jiān)測空冷凝汽器翅片管面溫度，反饋溫度信息，實現(xiàn)大面積多點分布式溫度監(jiān)測，提高了測溫實時性。（2）風(fēng)機智能控制。根據(jù)采集的溫度信息結(jié)合有效的控制算法更加精準(zhǔn)細致地控制各個軸流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，減少電能的浪費。（3）管道過冷防凍。實時監(jiān)測管面溫度，當(dāng)局部溫度過低時及時降低單個風(fēng)機轉(zhuǎn)速使溫度回升，避免管道結(jié)冰使得空冷散熱器堵塞，造成機組故障。

4 應(yīng)用前景

自1966年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)試驗電站的50kW機組上首次進行了直接空冷系統(tǒng)的試驗起，關(guān)于電場空冷技術(shù)的研究便穩(wěn)步向前，近幾年我國直接空冷機組更是得到突飛猛進的發(fā)展。2010年在華北、西北、東北的“三北”地區(qū)，建設(shè)了單機容量600MW級燃煤直接空冷機組群與直接空冷裝置群，計有34臺，裝機容量為20.4GW。

到2012年底，我國空冷機組裝機總?cè)萘考s150GW，我國已是全球的空冷王國。在政府的強力節(jié)水政策下，空冷幾乎成了中國北方火力電站冷卻方式的唯一選擇。本系統(tǒng)針對直接型空冷島進行優(yōu)化，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻

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作者簡介：童宇衡（1994-），男，湖北鄂州人，武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：光纖傳感。

（責(zé)任編輯：周 瓊）