火電廠煙塔合一鋼結(jié)構(gòu)間接空氣冷卻塔溫度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

彭 磊,楊富鑫,王小良,余 喆,韓 飆,王興濤

(1.陜西能源麟北發(fā)電有限公司，陜西寶雞 721599；2.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，西安 710049；3.雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司，江蘇無錫 214400)

目前，常見的冷卻塔是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)存在成本高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、造成固體廢物污染等問題。隨著機(jī)組容量的增大與環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)冷卻塔已不能滿足需求，而鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔的強(qiáng)度高、柔韌性好、抗地震性能優(yōu)良，并且生產(chǎn)效率高、投資低、建設(shè)周期短。此外，鋼材屬于綠色建筑材料，其回收利用率高、環(huán)保性能好[1-3]。與傳統(tǒng)電廠布置相比，采用煙塔合一技術(shù)可以節(jié)省空間土地、簡化煙氣系統(tǒng)、降低投資[4-6]。另外，由于空氣冷卻塔內(nèi)溫度較高，熱空氣及排放煙氣會形成上升氣流，提升煙羽的抬升高度，可有效降低電廠周邊的污染物濃度，保護(hù)環(huán)境。

散熱性能與溫度場分布是監(jiān)測空氣冷卻塔性能的重要指標(biāo)，而煙塔合一鋼結(jié)構(gòu)間接空氣冷卻塔集合了脫硫塔、煙囪等諸多設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其散熱性能及溫度場分布也受到了諸多影響。因此，對煙塔合一鋼結(jié)構(gòu)間接空氣冷卻塔的散熱性能和內(nèi)部溫度場分布進(jìn)行研究具有重要意義[7-9]。同時，開發(fā)溫度自動控制系統(tǒng)對機(jī)組安全生產(chǎn)及電廠的智能化發(fā)展有重要作用[10]。焦慶雅[7]運(yùn)用FLUENT軟件建立了某600 MW機(jī)組間接空氣冷卻塔的數(shù)學(xué)模型，模擬了塔內(nèi)流場分布，并對散熱器的散熱性能進(jìn)行了研究；趙文升等[11]建立了某600 MW機(jī)組間接空氣冷卻塔的數(shù)學(xué)模型，并以進(jìn)塔風(fēng)量和出塔水溫度為評價標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)值模擬探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律，獲得了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；李昊等[12]通過熱平衡方程計算了散熱器的傳熱量，構(gòu)建了基于粒子群優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，分析了間接空氣冷卻塔出塔水溫度的影響因素。

光柵陣列傳感技術(shù)是一種新型的工程傳感技術(shù)。光纖光柵質(zhì)量輕、體積小，因而可被靈活運(yùn)用于工程中；并且其具有防爆、抗腐蝕、抗高溫的特點，可應(yīng)對復(fù)雜的工程狀況，而抗電磁干擾能力同時可保證其準(zhǔn)確性。在工程現(xiàn)場，運(yùn)用該技術(shù)能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變進(jìn)行實時監(jiān)測，同時其集成化、串接復(fù)用的特點能夠讓管理者對結(jié)構(gòu)形變、裂縫有整體及準(zhǔn)確的把握。與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比，光纖光柵傳感器具有分布式、高精度、長期性及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c，因此其在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

筆者基于某煙塔合一鋼結(jié)構(gòu)空氣冷卻塔，將光柵陣列傳感技術(shù)結(jié)合分布式控制系統(tǒng)(DCS)，建立了新型空氣冷卻塔溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并對其工程應(yīng)用效果進(jìn)行研究及分析。

1 空氣冷卻塔

研究對象為某2臺350 MW超臨界火電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)間接空氣冷卻塔，為了節(jié)省空間、降低成本，2臺機(jī)組共用1座空氣冷卻塔，將煙囪放入空氣冷卻塔中，即采用煙塔合一形式，空氣冷卻塔內(nèi)部垂直布置空氣冷卻散熱器。在空氣冷卻塔內(nèi)部，散熱器為扇段結(jié)構(gòu)，2臺機(jī)組交叉布置，共有12個扇形散熱器(見圖1)，每個扇形散熱器有14個冷卻三角，共有168個冷卻三角，可保證冷卻水的快速高效降溫，滿足機(jī)組生產(chǎn)需要。

圖1 散熱器布置示意圖

氣象條件對空氣冷卻塔的散熱性能有重要影響，該機(jī)組位于陜西省，其氣象條件調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 空氣冷卻塔氣象條件

2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用光柵陣列傳感技術(shù)，將大量感溫光纜廣泛地敷設(shè)在冷卻三角表面，感溫光纜將溫度信號傳輸至機(jī)柜內(nèi)的陣列光柵解調(diào)儀中進(jìn)行解讀，解讀后的溫度數(shù)據(jù)上傳至溫度監(jiān)測平臺(見圖2)。溫度監(jiān)測平臺可實現(xiàn)無人值守，并且能與DCS實現(xiàn)信息共享，將特征溫度數(shù)據(jù)及報警信號實時傳遞至DCS，由電廠值班人員統(tǒng)一管理。

圖2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 光柵陣列傳感技術(shù)

為快速精確地監(jiān)測間接空氣冷卻塔內(nèi)的溫度變化情況，將光柵陣列傳感技術(shù)運(yùn)用到自動監(jiān)測系統(tǒng)中。新一代的光柵陣列傳感技術(shù)采用的是波分+時分的混合復(fù)用技術(shù)，利用波長實現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)測量，傳感網(wǎng)絡(luò)中光柵的波長可一樣也可不同，隨著波段的增加，傳感網(wǎng)絡(luò)傳播的能力和規(guī)模也隨之增強(qiáng)?；诠饫w布拉格光柵原理可知，光柵周期及有效折射率由溫度和應(yīng)變來決定，并且溫度和應(yīng)變的變化會導(dǎo)致光柵中心波長的變化。為了得到溫度對光柵的影響，需要除去應(yīng)變引起的誤差，并且進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光纖傳感技術(shù)是利用光的反射原理，布拉格光柵對溫度的敏感性極強(qiáng)，光柵受熱膨脹，光柵周期及光柵的有效折射率都會發(fā)生較大的變化。因此，將布拉格光柵與光纖技術(shù)相結(jié)合，利用光波長的變化傳遞溫度的變化。為了更好地提高光纖強(qiáng)度、避免損耗，采用新的制備工藝，在光纖的生產(chǎn)過程中，直接將傳感光柵寫入光纖，相比于傳統(tǒng)的剝除涂覆層工藝，省去了焊接，使光纖制備更加一體化，能夠提高信號的傳送速度與準(zhǔn)確度。

2.3 溫度監(jiān)測點的布置與安裝

溫度監(jiān)測主要監(jiān)測不同部位溫度變化，可以根據(jù)熱力計算情況進(jìn)行布置，沿環(huán)向布置測點以監(jiān)測太陽照射對結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度的影響。采用光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，共有32個傳感器。傳感器的測量范圍為-30～120 ℃、靈敏度為0.1 K、精度為0.5%，其使用壽命符合現(xiàn)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

為保證準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測溫度，該系統(tǒng)所采用的陣列傳感光纜以1 m為間距，連續(xù)多點寫入傳感光柵，每個光柵是一個感溫點，這些感溫點被廣泛地布置在空氣冷卻塔冷凝管表面，實時監(jiān)測散熱管束溫度變化。感溫光纜以散熱器組加勁板為固定依托進(jìn)行布置，能較好地感應(yīng)散熱器冷卻水管的溫度。陣列傳感光纜從冷卻三角的一側(cè)從下往上布置，到頂后從上往下布置到達(dá)底端，形成整體，中間沒有任何接點，在保證系統(tǒng)測溫要求的同時，也保障了系統(tǒng)的可靠性，并且采用專用防風(fēng)固定橡膠卡條進(jìn)行保溫，避免散熱管束溫度測點處熱量散失，導(dǎo)致測量誤差。

圖3、圖4為現(xiàn)場的感溫點和防風(fēng)固定橡膠卡條。

圖3 感溫光纜感溫點

圖4 防風(fēng)橡膠卡條

2.4 智能控制系統(tǒng)

在溫度監(jiān)測軟件內(nèi)嵌入自動化控制算法，向電廠DCS直接輸出百葉窗開度控制系數(shù)信號，最終實現(xiàn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)與DCS的實時通信。溫度監(jiān)測系統(tǒng)向DCS傳送百葉窗開度控制系數(shù)和扇區(qū)防凍泄水指令。DCS向溫度監(jiān)測系統(tǒng)傳送百葉窗開度、扇區(qū)運(yùn)行狀態(tài)(是否投運(yùn))、扇區(qū)冷卻水出口溫度、進(jìn)塔母管熱水溫度、出塔母管冷水溫度、進(jìn)塔母管熱水流量、發(fā)電量、汽輪機(jī)背壓、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向等參數(shù)。通信協(xié)議采用Modbus RTU通信協(xié)議，協(xié)議安全可靠、故障率低，可保證溫度監(jiān)測系統(tǒng)與DCS的正常信息交換。DCS作為上位機(jī)，DCS側(cè)設(shè)置投切開關(guān)，可靈活選擇是否與溫度監(jiān)測系統(tǒng)通信，以保證電廠安全運(yùn)行。

智能控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，對每個百葉窗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都輸出特定的控制系數(shù)(-1～1)，并將控制系數(shù)發(fā)送給DCS。在DCS內(nèi)，將DCS固有的PID控制輸出數(shù)據(jù)乘以控制系數(shù)得到百葉窗控制數(shù)據(jù)，然后將百葉窗控制數(shù)據(jù)傳給現(xiàn)有常規(guī)控制系統(tǒng)，最終將輸出指令分別傳送給相應(yīng)的百葉窗(n個控制系數(shù)分別對應(yīng)n個百葉窗)，以保證管束各區(qū)域溫度相對均勻。60個感溫點(2個冷卻三角)對應(yīng)1個執(zhí)行機(jī)構(gòu)(百葉窗)，并將其作為1組。14個冷卻三角作為1個扇區(qū)(系統(tǒng)投運(yùn)以扇區(qū)為單位)，即將4 968個感溫點分為12個區(qū)，分別控制。所建立的數(shù)學(xué)模型按區(qū)進(jìn)行劃分，找到其中差異大的、規(guī)律異常的感溫點，根據(jù)感溫點的位置、數(shù)量、分布區(qū)域及溫度差等，通過計算得到控制數(shù)據(jù)，最后輸出一個控制系數(shù)，實現(xiàn)控制，使每個區(qū)的溫度場分布均勻，實現(xiàn)智能控制。

3 應(yīng)用分析

該350 MW超臨界機(jī)組間接空氣冷卻機(jī)組應(yīng)用溫度監(jiān)測系統(tǒng)后，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行工況，選取溫度場部分典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 運(yùn)行背壓分析

保持機(jī)組負(fù)荷為300 MW，對1號機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行背壓進(jìn)行觀察，選取的運(yùn)行曲線見圖5。由圖5可得：在300 MW下，該機(jī)組運(yùn)行背壓基本維持在9～10 kPa，與阻塞背壓(7.5 kPa)還有一定差距，還有一定下降空間；但運(yùn)行背壓過高會導(dǎo)致輸出功率降低，發(fā)電量減少。在運(yùn)行背壓下，汽輪機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)見表2。

圖5 1號機(jī)組運(yùn)行背壓分析

表2 汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3.2 冷卻柱溫度分析

運(yùn)用溫度監(jiān)測系統(tǒng)對冷卻塔的溫度分布實時進(jìn)行分析，保持機(jī)組負(fù)荷為300 MW，分別抽取1號機(jī)組1號、2號、3號扇區(qū)的7號冷卻三角的溫度進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。由圖6可得：冷卻三角表面最低溫度基本在10 ℃以上，最高溫度基本在25 ℃以上，溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為空氣冷卻塔運(yùn)行提供了監(jiān)測依據(jù)；冷卻三角表面最高溫度和最低溫度的差在15～20 K，而同期凝結(jié)水進(jìn)出口溫差為7～12 K，傳熱溫差存在一定的不均勻性；冷卻三角表面最低溫度基本保持在較安全的溫度區(qū)間，偏高于散熱管束凍結(jié)的危險溫度，但是最高溫度已經(jīng)達(dá)到了50 ℃，還有進(jìn)一步降低表面溫度的空間。

圖6 1號、2號、3號扇區(qū)的7號冷卻三角表面溫度

3.3 不同扇區(qū)的溫度均勻性分析

1號、3號、5號扇區(qū)內(nèi)連續(xù)6個冷卻三角表面溫度見圖7。由圖7可得：3個扇區(qū)冷卻三角溫度變化具有相同的趨勢，進(jìn)一步驗證了溫度監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；但是不同的冷卻三角存在一定溫度偏差，尤其是1號扇區(qū)和5號扇區(qū)的溫度偏差在10 K以上，而3個扇區(qū)溫度分布整體較均勻，溫度偏差與扇區(qū)位置、環(huán)境溫度、迎風(fēng)角度等有關(guān)。對于不同冷卻三角間的溫度偏差，溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過調(diào)控百葉窗開度控制散熱管束表面溫度分布，使系統(tǒng)散熱性能最優(yōu)并處于低背壓運(yùn)行。

圖7 1號、3號、5號扇區(qū)的多個冷卻三角表面溫度

4 結(jié)語

筆者基于某工程建設(shè)的煙塔合一鋼結(jié)構(gòu)間接空氣冷卻塔，將光柵陣列傳感技術(shù)與DCS結(jié)合，建立了空氣冷卻塔溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，具體結(jié)論如下：

(1)新型溫度監(jiān)測系統(tǒng)能最大程度體現(xiàn)間接空氣冷卻塔散熱管束溫度分布狀態(tài)，可消除傳統(tǒng)監(jiān)測手段受測點數(shù)量較少的制約。

(2)間接空氣冷卻塔散熱管束表面溫度維持在10～50 ℃，不存在管束凍結(jié)的風(fēng)險，扇區(qū)出水溫度設(shè)定值存在降低空間，可為降低機(jī)組背壓提供條件。

(3)冷卻三角最高溫度和最低溫度的差在15～20 K，而凝結(jié)水進(jìn)出口溫差在7～12 K，扇區(qū)內(nèi)不同冷卻三角間的溫度分布存在一定不均勻性，不同扇區(qū)的溫度偏差也不同。監(jiān)測系統(tǒng)較好地反映出了不均勻的程度和范圍，說明基于溫度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)控百葉窗開度的必要性，也明確了溫度監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)深化研究的方向。