淺談槽式太陽(yáng)能光熱電站太陽(yáng)島監(jiān)控技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

盧乃兵，趙雄，尹航，劉萬(wàn)軍，張正偉

（1.中廣核太陽(yáng)能德令哈有限公司；2.中廣核太陽(yáng)能開發(fā)有限公司，青海 德令哈 817099）

光熱發(fā)電技術(shù)主要分為塔式、槽式、菲涅爾式和蝶式四類，槽式光熱電站太陽(yáng)島占地面積廣、回路多、管線長(zhǎng)，其閥門、旋轉(zhuǎn)接頭、焊口等連接部件數(shù)量多以萬(wàn)計(jì)，這些連接部位均屬于系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在長(zhǎng)期運(yùn)行工況下，由于閥門、旋轉(zhuǎn)接頭的密封填料發(fā)生損耗或者管道焊口在應(yīng)力作用下發(fā)生拉裂，均會(huì)造成管道內(nèi)高溫導(dǎo)熱油泄漏，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置，大量的高溫導(dǎo)熱油油氣持續(xù)揮發(fā)，易引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故，嚴(yán)重威脅電站工作人員人身安全和設(shè)備安全，而且，長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)熱油泄漏也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和財(cái)產(chǎn)損失。

1 背景

國(guó)內(nèi)外光熱電站太陽(yáng)島尚無(wú)專用監(jiān)控系統(tǒng)，日常監(jiān)控通過布置在電站集中控制室的DCS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視并配合以就地人工巡回檢查的方式開展。傳統(tǒng)的監(jiān)控手段存在響應(yīng)速度遲緩、監(jiān)測(cè)精度較差、巡檢環(huán)境受限及安全風(fēng)險(xiǎn)較大等問題。為保障電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握太陽(yáng)島系統(tǒng)運(yùn)行狀況，提升設(shè)備的運(yùn)行可靠性，需要采取有效的自動(dòng)化監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)島系統(tǒng)運(yùn)行狀況的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。

2 發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站由太陽(yáng)島、儲(chǔ)熱島、傳熱島和常規(guī)島組成。太陽(yáng)島是光熱發(fā)電站的核心，通過利用大規(guī)模陣列的槽式反射鏡裝置，將太陽(yáng)光聚焦，加熱位于集熱器反射鏡面焦線位置的真空集熱管，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能并傳遞給真空集熱管內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油，吸熱后的導(dǎo)熱油溫度上升，出口導(dǎo)熱油溫度達(dá)到395℃左右，溫度升高的導(dǎo)熱油通過換熱裝置加熱水產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)做功發(fā)電。

3 監(jiān)測(cè)方案介紹

3.1 利用外部資源監(jiān)測(cè)

（1）遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)。遙感衛(wèi)星采用了以衛(wèi)星為平臺(tái)的遙感技術(shù)。遙感衛(wèi)星沿地球同步軌道運(yùn)行時(shí)，能夠連續(xù)不斷地對(duì)地球表面任何指定地域進(jìn)行遙感觀測(cè)。主要有陸地、海洋、氣象三種類型，可以監(jiān)測(cè)獲得農(nóng)林、海洋、土地、環(huán)保監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)等信息。從遙感衛(wèi)星功能來(lái)看，完全滿足光熱電站太陽(yáng)島泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)要求。但目前國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星主要應(yīng)用于軍事、科研等方面，面向企業(yè)的監(jiān)測(cè)服務(wù)還處于研究階段。（2）激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)。激光雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行全天候、遠(yuǎn)距離的探測(cè)，不受氣象環(huán)境影響，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源探測(cè)、天體空間研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)、氣象預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。激光雷達(dá)通常對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行垂直監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)距離地面不同高的空間氣體變化，應(yīng)用于槽式光熱電站時(shí)，能夠通過分析不同高度的氣體變化來(lái)監(jiān)測(cè)電站區(qū)域各種泄漏情況，解析區(qū)域內(nèi)泄漏污染分布，再利用3D可視型激光雷達(dá)的水平監(jiān)測(cè)功能分析泄漏區(qū)域內(nèi)污染分布、污染擴(kuò)散等情況。

3.2 固定視頻監(jiān)控

（1）可見光視頻監(jiān)控。利用360°全景高清攝像機(jī)對(duì)全境場(chǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控，能夠在光照強(qiáng)度及視線較好時(shí)，對(duì)太陽(yáng)島系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反映設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行情況，且可以通過錄像功能進(jìn)行過程管理，反映異常情況經(jīng)過，有利于技術(shù)人員快速診斷異常原因，但在夜間或視線較差天氣情況下，監(jiān)控功能受限。

（2）紅外熱成像視頻監(jiān)控。紅外熱像儀作為一種新型的光電探測(cè)設(shè)備，能夠識(shí)別出0.1℃的溫度變化，可以實(shí)時(shí)將被測(cè)目標(biāo)表面的熱信息可視化。槽式光熱電站高溫傳熱介質(zhì)泄漏后其周圍的溫度會(huì)發(fā)生很大變化，熱成像儀將其溫度變化轉(zhuǎn)換成圖像，并且在專業(yè)的軟件分析平臺(tái)下快速判斷故障，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，通知電站值班人員快速處理，降低泄漏造成的危害及后果。而且，可以通過紅外熱成像攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)全鏡場(chǎng)的夜間監(jiān)控，通過熱成像儀圖像進(jìn)行鏡場(chǎng)溫度檢測(cè)，由軟件平臺(tái)對(duì)熱成像攝像機(jī)檢測(cè)的圖像進(jìn)行采集分析，根據(jù)圖像溫度變化量設(shè)置報(bào)警點(diǎn)完成對(duì)鏡場(chǎng)的泄漏監(jiān)測(cè)及報(bào)警。

（3）感溫光纖監(jiān)測(cè)。光纖測(cè)溫系統(tǒng)是利用印度科學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)的拉曼效應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)溫的，當(dāng)激光脈沖射入光纖里，會(huì)在發(fā)送端得到背向的散射光，拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度與溫度成正比，對(duì)散射光的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量便可得到沿光纖分布的溫度。感溫光纖測(cè)量溫度的特點(diǎn)是不受電磁干擾且耐腐蝕，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、防爆性能和電氣絕緣特性好；具有體積小重量輕可以纏繞彎曲的特點(diǎn)、設(shè)備造價(jià)低廉、檢測(cè)靈敏度高壽命長(zhǎng)、測(cè)量和傳輸距離遠(yuǎn)、維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展非常迅速，在消防、石油、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。作為槽式光熱電站鏡場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)全境場(chǎng)管道泄漏、集熱管破損及真空度下降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并報(bào)警。

（4）仿生傳感器監(jiān)測(cè)。利用鏡場(chǎng)PLC模擬量備用通道在每個(gè)集熱器加裝聲音、氣體及振動(dòng)綜合性傳感器，在DCS系統(tǒng)建立鏡場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)視、分析、報(bào)警系統(tǒng)。應(yīng)用在槽式光熱電站時(shí)，可以通過監(jiān)視集熱器轉(zhuǎn)動(dòng)噪音，分析集熱器機(jī)械性能及卡澀情況；通過監(jiān)視鏡場(chǎng)管道共振特性，監(jiān)視系統(tǒng)通流情況，以便及時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況；通過對(duì)集熱器附近氣體及聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障部位。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)監(jiān)測(cè)

（1）無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)。使用無(wú)人機(jī)搭載高清影像設(shè)備、紅外熱成像儀及氣體傳感器等檢測(cè)設(shè)備，按設(shè)定軌跡飛行采集鏡場(chǎng)集熱器及管道設(shè)備的影像、熱成像及氣體數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)特定區(qū)域有無(wú)泄漏發(fā)生。鏡場(chǎng)影像和熱成像圖像信息實(shí)時(shí)監(jiān)視和存儲(chǔ)，氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置自動(dòng)報(bào)警閥值，當(dāng)檢測(cè)到有氣體泄漏時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。圖像信息可快速傳送至計(jì)算機(jī)端，在后臺(tái)利用智能化軟件對(duì)采集的熱成像和影像信息進(jìn)行智能化分析處理，實(shí)現(xiàn)鏡場(chǎng)泄漏檢測(cè)、鏡面潔凈度、集熱管破損、反射鏡破損等自動(dòng)化診斷和定位。

（2）智能巡檢機(jī)器人。采用輪式或履帶式機(jī)器人，并在鏡場(chǎng)地面設(shè)置固定路線，通過機(jī)器人搭載高清攝像頭、熱成像儀、氣體檢測(cè)儀的方式，定點(diǎn)、定時(shí)、定路線進(jìn)行鏡場(chǎng)巡檢，采集圖像數(shù)據(jù)傳回后臺(tái)進(jìn)行分析，搭載的氣體檢測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)泄漏情況并報(bào)警。

4 監(jiān)控方案對(duì)比及選擇

（1）監(jiān)控方案對(duì)比。以國(guó)內(nèi)某50MW槽式太陽(yáng)能光熱電站為例，對(duì)其太陽(yáng)島監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)方案進(jìn)行對(duì)比，具體見表1。

表1 槽式太陽(yáng)能光熱電站太陽(yáng)島監(jiān)控系統(tǒng)方案對(duì)比

（2）監(jiān)控方案選擇。通過對(duì)以上8種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及可行程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，決定研發(fā)新型監(jiān)控系統(tǒng)，綜合利用紅外熱成像技術(shù)與可見光監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)島的全天候、全覆蓋實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，消除傳統(tǒng)監(jiān)控手段存在的時(shí)間與空間盲區(qū)，使監(jiān)控功能不受時(shí)間段及天氣情況影響。同時(shí)，進(jìn)行功能拓展，通過對(duì)泄漏特征圖像因子的分析，建立太陽(yáng)島泄漏診斷模型，實(shí)現(xiàn)泄漏智能判斷及告警功能；利用編碼和定位技術(shù)，將太陽(yáng)島設(shè)備進(jìn)行編碼定位，實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)精準(zhǔn)定位功能。

5 結(jié)語(yǔ)

該太陽(yáng)島監(jiān)控技術(shù)的研發(fā)相較傳統(tǒng)視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能變革，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景全天候監(jiān)控、故障診斷告警、故障精準(zhǔn)定位功能，便于及時(shí)有效地檢測(cè)和預(yù)判設(shè)備運(yùn)行狀況，大幅度提升了槽式光熱電站的運(yùn)行維護(hù)水平，能有效預(yù)控泄漏事故擴(kuò)大造成的設(shè)備安全以及環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，可廣泛應(yīng)用于槽式光熱電站、線性菲涅爾式光熱電站、大型變電站以及火電、石油化工等行業(yè)。