一種大型鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔智慧運(yùn)行解決方案研究

李寧 余喆

摘 要：空冷系統(tǒng)是智慧電廠的重要組成部分，對(duì)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、指標(biāo)優(yōu)化起到關(guān)鍵作用，并廣泛應(yīng)用于燃機(jī)、光熱、電解制氫等業(yè)態(tài)。現(xiàn)以在建電廠為依托，分析鋼結(jié)構(gòu)空冷塔智慧運(yùn)行模式，為提高大容量機(jī)組運(yùn)行管理水平，降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益提供解決方案。經(jīng)智慧運(yùn)行優(yōu)化后，機(jī)組在相同負(fù)荷率下全年運(yùn)行背壓可降低0.5 kPa以上，發(fā)電煤耗降低0.65 g/（kW·h），全廠熱效率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

關(guān)鍵詞：智慧運(yùn)行;節(jié)能;減排

中圖分類(lèi)號(hào)：TK39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）13-0005-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.002

0? ? 引言

鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔與混凝土冷卻塔相比具有抗震性能好、建造成本低、施工周期短、高空作業(yè)人員少、回收殘值高等優(yōu)點(diǎn)[1]，除煤電外還可應(yīng)用于燃機(jī)、光熱、電解制氫等業(yè)態(tài)。目前世界上已建成的鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔大多采用單層網(wǎng)殼加剛性環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，少數(shù)采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式[2]。新疆信友奇臺(tái)2×660 MW發(fā)電機(jī)組工程是我國(guó)首個(gè)應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔的發(fā)電工程，隨后，山西鑫磊2×350 MW間冷“兩機(jī)一塔”項(xiàng)目也采用了鋼塔結(jié)構(gòu)[3]。

國(guó)電雙維2×1 000 MW空冷超超臨界發(fā)電機(jī)組工程是世界首個(gè)應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔的百萬(wàn)機(jī)組電廠，間接空冷系統(tǒng)智能化運(yùn)行是該電廠深度智慧企業(yè)建設(shè)的重要組成部分。

目前間接空冷系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)方案和控制方法存在著諸多需要改進(jìn)完善的方面，主要包括：系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)點(diǎn)少且缺乏冷卻空氣側(cè)的有效監(jiān)測(cè);間冷塔宏觀監(jiān)測(cè)能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)防凍措施采取不及時(shí)，精細(xì)化控制優(yōu)化能力不足等。這些因素導(dǎo)致間冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中全季節(jié)平均運(yùn)行背壓偏高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差;在極端惡劣氣候條件下，機(jī)組安全運(yùn)行存在冰凍風(fēng)險(xiǎn)。

大型鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔智慧運(yùn)行的目的是通過(guò)檢測(cè)間接空冷系統(tǒng)的每個(gè)冷卻三角管束的運(yùn)行溫度，作為空冷系統(tǒng)優(yōu)化及防凍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)冷卻三角出口水溫不平衡的特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)百葉窗的開(kāi)度，優(yōu)化空冷運(yùn)行。依據(jù)空冷溫度場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)大面積的檢測(cè)特性，將空冷系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)由扇區(qū)調(diào)節(jié)細(xì)化到冷卻三角，最大限度地降低背壓，使供電煤耗下降，顯著提高空冷機(jī)組抵御不利環(huán)境影響的能力，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性。間接空冷塔智慧運(yùn)行系統(tǒng)主要涵蓋溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。

1? ? 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是在常規(guī)DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，匹配可整體呈現(xiàn)空冷系統(tǒng)溫度分布情況的陣列光柵傳感器，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)邊緣計(jì)算服務(wù)器與DCS、空冷島監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)互通，對(duì)所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)智能化算法通過(guò)DCS控制百葉窗執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)閥門(mén)等被控對(duì)象的系統(tǒng)。

溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)電廠節(jié)能減排具有以下重要作用：降低機(jī)組冬季安全運(yùn)行背壓3 kPa，降低機(jī)組全年運(yùn)行背壓0.5 kPa以上，保證安全運(yùn)行的前提下，有效降低能耗;逐步積累風(fēng)速對(duì)空冷背壓影響的歷史數(shù)據(jù)，智能調(diào)控各不同扇區(qū)的負(fù)荷，降低大風(fēng)對(duì)空冷系統(tǒng)的影響;根據(jù)負(fù)荷情況，智能優(yōu)化循泵運(yùn)行方式，降低廠用電，并不斷自診斷、自優(yōu)化;通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行運(yùn)行診斷、維護(hù)提醒，進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;大幅降低巡檢人員的工作量;AI控制，定期更新，持續(xù)優(yōu)化。

1.1? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

間冷控制系統(tǒng)通過(guò)DCS采集現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，在DCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較、順控、聯(lián)鎖等控制算法，輸出至空冷塔百葉窗、開(kāi)關(guān)型閥門(mén)等完成控制。

在常規(guī)間冷DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)布置在散熱器上的光柵陣列傳感器（約10 000點(diǎn)），經(jīng)過(guò)調(diào)制解調(diào)儀后將數(shù)據(jù)傳輸至空冷監(jiān)控平臺(tái)，分送至DCS和邊緣計(jì)算服務(wù)器。邊緣計(jì)算服務(wù)器與DCS、空冷島監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)互通，可實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2? ? 溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)

空冷散熱器溫度場(chǎng)采集是采用陣列光柵傳感新技術(shù)，將光纜大面積、大量敷設(shè)在間冷塔冷卻三角表面，感溫光柵將“溫度”信號(hào)傳輸至電子間溫度場(chǎng)機(jī)柜內(nèi)的陣列光柵解調(diào)儀進(jìn)行解讀，轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控平臺(tái)。溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3? ? 智能化控制

間接空冷塔運(yùn)行特性主要取決于循環(huán)冷卻水的進(jìn)塔水溫、循環(huán)水流量、環(huán)境溫度、風(fēng)速等，智能化控制基于外部特性數(shù)據(jù)和間冷實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測(cè)、數(shù)字孿生、仿真、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，實(shí)現(xiàn)其目的。

通過(guò)實(shí)時(shí)采集、計(jì)算模型計(jì)算出塔筒內(nèi)外部的實(shí)時(shí)流場(chǎng)，并輸出各扇區(qū)風(fēng)速與溫度到間接空冷塔的冷卻扇區(qū)模型中，而冷卻扇區(qū)預(yù)測(cè)子模型則進(jìn)一步計(jì)算出扇區(qū)的溫度場(chǎng)，輸出扇區(qū)出水管的冷卻水溫度。同時(shí)基于大量的歷史數(shù)據(jù)，智能計(jì)算對(duì)動(dòng)作策略進(jìn)行趨勢(shì)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，連續(xù)動(dòng)作、不斷反饋，優(yōu)化輸出參數(shù)。隨著系統(tǒng)學(xué)習(xí)的進(jìn)行，每個(gè)反饋預(yù)測(cè)器參數(shù)的概率密度分布不斷被以能提高系統(tǒng)控制性能的參數(shù)更新，最終每個(gè)參數(shù)的概率密度分布將收斂到以最優(yōu)值為中心分布。空冷島監(jiān)控平臺(tái)（提供空冷島狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制、統(tǒng)計(jì)分析、智能算法調(diào)整等）人機(jī)交互界面如圖3所示。

1.4? ? 溫度監(jiān)視

溫度監(jiān)視采用在管束表面安裝光柵陣列傳感光纖+控制間內(nèi)光柵陣列解調(diào)儀以及必要的交換機(jī)、服務(wù)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)。光柵陣列傳感是利用光纖敏感材料和結(jié)構(gòu)，基于時(shí)分、波分混合復(fù)用技術(shù)，將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為光纖中相應(yīng)光信號(hào)，是真正集“傳”與“感”于一體的新一代傳感技術(shù)，可用于監(jiān)測(cè)光纜沿線的溫度。

時(shí)分復(fù)用的作用是利用光學(xué)雷達(dá)（OTDR），把每個(gè)光柵定義一個(gè)時(shí)間代碼，對(duì)探測(cè)光纜中的光柵進(jìn)行識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)光柵的精準(zhǔn)定位。光纜以散熱器組加勁板為固定依托進(jìn)行布置，既能較好地感應(yīng)散熱器冷卻水管的溫度，固定方式又穩(wěn)固美觀。檢測(cè)的陣列傳感光纜從散熱三角的一側(cè)從下往上布設(shè)，到頂后從上往下布設(shè)到達(dá)底端，形成一個(gè)整體，中間沒(méi)有任何接點(diǎn)，在保證系統(tǒng)測(cè)溫要求的同時(shí)，也保障了系統(tǒng)的可靠性。

2? ? 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路：以運(yùn)營(yíng)安全為核心，以實(shí)用可靠為宗旨，以服務(wù)為目標(biāo)。鋼塔主體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括應(yīng)變監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)、環(huán)境氣象及塔頂風(fēng)速監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)。

2.1? ? 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)，在施工全過(guò)程及使用階段的應(yīng)變/應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把握鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在各層加強(qiáng)環(huán)、與加強(qiáng)環(huán)相連接的塔壁斜桿、加強(qiáng)環(huán)之間的環(huán)向桿件，取相鄰兩道加強(qiáng)環(huán)正中的一圈弦桿、錐面與直筒段連接處的環(huán)桿、展開(kāi)平臺(tái)與塔體相連接處的環(huán)向桿、第一層斜桿等部位作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)能反映格構(gòu)式構(gòu)件各分肢的應(yīng)力情況。桿件應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，共有12個(gè)監(jiān)測(cè)截面，布置192個(gè)傳感器，采用光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2? ? 溫度監(jiān)測(cè)

溫度監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)不同部位溫度變化，可以根據(jù)熱力計(jì)算情況進(jìn)行布置，沿環(huán)向布置測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)太陽(yáng)照射對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度的影響。

溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同，共布置52個(gè)傳感器。采用光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3? ? 風(fēng)壓監(jiān)測(cè)

冷卻鋼塔屬于典型的三維薄壁空間結(jié)構(gòu)，體積大，高度高，對(duì)風(fēng)荷載極為敏感。目前對(duì)鋼塔塔身內(nèi)外風(fēng)壓的研究，多停留在理論研究及模型試驗(yàn)階段，尚缺乏實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目通過(guò)沿塔周外壁及內(nèi)壁布設(shè)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以取得風(fēng)壓分布的第一手資料。

對(duì)風(fēng)壓沿塔周的分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沿塔周每30°布置1個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，沿高度方向布置，以監(jiān)測(cè)風(fēng)壓沿高度方向的變化。

外表面風(fēng)壓傳感器布置在頂層、第1層、第2層、第3層和第4層加強(qiáng)環(huán)部位;內(nèi)風(fēng)壓傳感器主要分布在塔身蒙皮內(nèi)，布置在第1層、第2層、第3層和第4層加強(qiáng)環(huán)部位。

外表面風(fēng)壓監(jiān)測(cè)有5個(gè)監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)截面布置測(cè)點(diǎn)12個(gè)，共60個(gè)。內(nèi)風(fēng)壓有4個(gè)監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)截面布置測(cè)點(diǎn)12個(gè)，共48個(gè)。風(fēng)壓傳感器一共有108個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

2.4? ? 環(huán)境氣象及塔頂風(fēng)速監(jiān)測(cè)

考慮到冷卻鋼塔體積大，高度高，對(duì)風(fēng)荷載以及環(huán)境溫度極為敏感，在地面安裝小型氣象站對(duì)環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，作為百葉窗開(kāi)啟的輸入條件，塔頂安裝超聲風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測(cè)。

2.5? ? 變形監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)變形主要監(jiān)測(cè)較大位置變形，塔體變形測(cè)點(diǎn)布置在塔頂截面，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)夾角為60°，監(jiān)測(cè)x、y、z三個(gè)方向位移。采用北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包含1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共有7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

國(guó)電雙維2×1 000 MW空冷超超臨界發(fā)電機(jī)組工程目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化、信息化，在現(xiàn)有系統(tǒng)下電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性能已經(jīng)最大化，智能化可以使系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、更高效。

本間接空冷塔智慧運(yùn)行解決方案在安全運(yùn)行的前提下，可降低機(jī)組冬季運(yùn)行背壓3 kPa，可使機(jī)組在相同負(fù)荷率下全年運(yùn)行背壓降低0.5 kPa以上，能有效降低能耗，降低大風(fēng)對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)優(yōu)化循泵運(yùn)行方式，降低廠用電，一臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組可年節(jié)電約400萬(wàn)kW·h;同時(shí)可以進(jìn)行運(yùn)行診斷、維護(hù)提醒等，直接為電廠生產(chǎn)創(chuàng)造相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2022-04-19

作者簡(jiǎn)介：李寧（1974—），男，山東泰安人，高級(jí)工程師，設(shè)計(jì)總工程師，從事大型發(fā)電廠工程機(jī)務(wù)設(shè)計(jì)工作。