米 路，翟永杰，韓 超，張艷霞

（華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

直接空冷技術(shù)以其節(jié)約用水、占地面積少和運行靈活方便等諸多優(yōu)點而廣泛地應(yīng)用于富煤缺水三北（華北、西北、東北）地區(qū)的火力發(fā)電廠中[1]。但該技術(shù)在國內(nèi)電廠的運行過程中也遇到了很多問題，由于直接空冷散熱器直接暴露在大氣之中，冬季低負(fù)荷運行時蒸汽流量小，風(fēng)機轉(zhuǎn)速減小甚至停止運行，此時空冷平臺上下流動場、溫度場最容易發(fā)生不均勻現(xiàn)象，容易造成局部凍結(jié)，導(dǎo)致機組不能正常運行甚至停機事故[2]。

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)模監(jiān)測空冷散熱器空氣側(cè)溫度。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測溫技術(shù)在空冷島現(xiàn)場安裝困難，采購成本、安裝成本和維護(hù)成本較高，且很難避免對原有流動場和溫度場產(chǎn)生干擾，難以實現(xiàn)空冷島整體的溫度測量。目前國內(nèi)外尚無完善的測溫系統(tǒng)供空冷島溫度場監(jiān)測使用。

無線測溫技術(shù)具有安裝簡單、維護(hù)方便、測點占用面積小等特點，基于這些特點采用無線測溫技術(shù)設(shè)計和開發(fā)了空冷島溫度場監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用無線測溫方式，測溫傳感器安裝在空冷島上，通過電磁波將溫度信號傳給接收儀，每臺接收儀接收特定區(qū)域的所有傳感器的信號。所有接收儀的通訊模塊以并聯(lián)方式連接到一根485總線上，該485總線的另一端連接到空冷間智能優(yōu)化站，通過modbus通訊協(xié)議將所有接收儀的數(shù)據(jù)采集到智能優(yōu)化站。智能優(yōu)化站和集控室監(jiān)測系統(tǒng)通過光纖連接，通過opc技術(shù)將所有溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器上安裝基于B/S模式開發(fā)的空冷島溫度場在線監(jiān)測軟件，將所有溫度數(shù)據(jù)直觀明了的顯示出來。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空冷島溫度場監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of cooling island temperature monitoring system

本系統(tǒng)采用前沿的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計[3]，實現(xiàn)了溫度遠(yuǎn)距離遙測。系統(tǒng)具有低功耗、等電位測量、數(shù)據(jù)無線傳輸、精度高、響應(yīng)速度快、操作靈活、組網(wǎng)方便等優(yōu)勢[4]。

2 溫度測點布置方案

2.1 理論依據(jù)

以某300 MW機組的空冷系統(tǒng)為例，整個空冷凝汽器共分為6列，每列分為5個冷卻單元，圖2為一列凝汽器單側(cè)散熱器的示意圖，其中#1、#3、#5單元為順流區(qū)，#2、#4單元為逆流區(qū)。直接空冷機組正常運行時，在汽輪機內(nèi)做功后的蒸汽，經(jīng)由汽輪機排汽管道進(jìn)入直接空冷機組汽水系統(tǒng)，并由蒸汽分配管道向各列凝汽器配汽。飽和蒸汽先自上往下流過順流區(qū)凝汽器管束，冷空氣被風(fēng)機自下往上吹入管束外側(cè)的散熱器，飽和蒸汽與冷空氣進(jìn)行熱量交換，部分飽和蒸汽凝結(jié)為水直接流入管束下部的凝結(jié)水聯(lián)箱[5]；順流區(qū)未凝結(jié)的蒸汽經(jīng)凝結(jié)水聯(lián)箱的上部空間，進(jìn)入逆流區(qū)凝汽器管束繼續(xù)與冷空氣換熱凝結(jié)，凝結(jié)水匯集在凝結(jié)水聯(lián)箱中，沒有凝結(jié)的剩余蒸汽由抽真空系統(tǒng)抽出。

順流區(qū)凝汽器管束內(nèi)自上而下凝結(jié)水量逐漸增加，而蒸汽量逐漸減少；逆流區(qū)凝汽器管束內(nèi)自下而上蒸汽量逐漸減少，空氣量逐漸增加。凝結(jié)水量、蒸汽量、空氣量的變化會使不同區(qū)域的溫度產(chǎn)生巨大差異[6]。因此，空冷島凝汽器管束表面溫度的差異反映了空冷島溫度場熱量分配的不均勻程度[7]，在進(jìn)行測點位置布置時必須考慮此問題。

圖2 一側(cè)散熱器測點布置示意圖Fig.2 Diagram of the measuring point in one side of radiator

2.2 設(shè)計方案

順流區(qū)溫度分布較均勻，且溫度普遍比逆流區(qū)高，所以順流區(qū)不易凍結(jié)；在逆流區(qū)上部，接近蒸汽分配管道的逆流區(qū)頂端，風(fēng)速因空氣在散熱器內(nèi)的流通面積減少而增大，空氣冷卻能力增強，管束內(nèi)部未凝氣體較多，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較低，這部分區(qū)域最容易在低溫環(huán)境下凍結(jié)[8]，為空冷島溫度場監(jiān)測的最關(guān)鍵區(qū)域?；诳绽湎到y(tǒng)預(yù)防凍結(jié)角度，采用順流區(qū)均勻稀疏布置測點，逆流區(qū)頂端密集布置測點的方案。以某300 MW機組直接空冷系統(tǒng)一列一側(cè)的散熱器為例，測點布置如圖2所示。整臺機組溫度測點為：6×2×96=1 152個。

3 硬件系統(tǒng)

3.1 無線溫度傳感器

無線溫度傳感器是一體化結(jié)構(gòu)，采用熱縮外套封裝，防水防塵，無線溫度傳感器的一個側(cè)面是感溫面，用于檢測溫度，安裝時用金屬卡件將傳感器固定在凝汽器管束上，使感溫面緊貼管束外壁。

無線溫度傳感器由溫度傳感器、測量電路、邏輯控制電路、無線收發(fā)電路和供電電路組成[9]，如圖3所示。傳感器將溫度信號通過2.4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線式溫度接收儀。

3.2 無線溫度接收儀

無線溫度接收儀由無線收發(fā)模塊、單片微處理器、LCD顯示單元以及485通訊模塊幾部分組成, 能夠準(zhǔn)確自動接收無線溫度傳感器傳來的測溫數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理，在LCD液晶屏上直接顯示，一個無線溫度接收儀最多可接收270個傳感器的數(shù)據(jù)。

某300 MW機組空冷島溫度場監(jiān)測系統(tǒng)共使用了7個接收儀，這7個接收儀安裝在空冷島一側(cè)走廊的鋼結(jié)構(gòu)上，每個接收儀接收特定區(qū)域散熱器上無線溫度傳感器的測溫數(shù)據(jù)，這7個接收儀統(tǒng)一采用220 V交流供電，每個接收儀的485通訊模塊以并聯(lián)方式連接到一根485通訊線上，該485通訊線的另一端接到智能優(yōu)化站。

圖3 無線溫度傳感器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The functional block diagram of wireless temperature sensor

3.3 智能優(yōu)化站和監(jiān)測系統(tǒng)

智能優(yōu)化站為分散控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制單元形式，位于空冷電子間，通過modbus通訊協(xié)議采集接到485線上7個接收儀上的溫度數(shù)據(jù)；監(jiān)測系統(tǒng)采用戴爾T620服務(wù)器，位于集控室控制臺。

4 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)下位機由測溫箱中的7個無線溫度接收儀組成，負(fù)責(zé)接收和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；上位機由基于B/S模式的監(jiān)測軟件組成。

4.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

傳感器以無線方式將測溫數(shù)據(jù)傳給接收儀，所有接收儀的通訊模塊以并聯(lián)方式連接到一根485線上，該485線的另一端連接智能優(yōu)化站，智能優(yōu)化站通過modbus通訊協(xié)議將接收儀上的溫度數(shù)據(jù)采集到優(yōu)化站系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，同時通過OPC_server將溫度數(shù)據(jù)向外界發(fā)送。集控室監(jiān)測系統(tǒng)與優(yōu)化站通過光纖連接，通過OPC_client將優(yōu)化站OPC_server發(fā)送的數(shù)據(jù)采集到IH數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測軟件安裝在監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器上，調(diào)用IH數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用來顯示，從而實現(xiàn)溫度場監(jiān)測的目的。通訊流程圖如圖4所示。

4.2 B/S模式的體系結(jié)構(gòu)

B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式是在傳統(tǒng)的C/S（客戶機/服務(wù)器）模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?；贐/S模式的結(jié)構(gòu)將Web與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合,形成基于數(shù)據(jù)庫的Web計算模式,并將該模型應(yīng)用到Internet中,最終形成了3層客戶機/服務(wù)器應(yīng)用結(jié)構(gòu),3層結(jié)構(gòu)將應(yīng)用系統(tǒng)的3個功能層面進(jìn)行了明確的分割,使其在邏輯上各自獨立[10],其體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 B/S模式的體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Architecture of B/S mode

圖4 通訊流程圖Fig.4 The chart of communication process

4.3 監(jiān)測軟件功能

集控室監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器上安裝基于B/S模式搭建的空冷島溫度場監(jiān)測軟件，監(jiān)測軟件主要包括溫度監(jiān)測、溫度異常報警、歷史趨勢查詢3個功能，下面主要介紹溫度監(jiān)測功能。

溫度監(jiān)測主界面如圖6所示，可以宏觀顯示空冷島溫度場分布情況，空冷島上1 152個傳感器用1 152個小矩形表示，小矩形的位置分布與現(xiàn)場傳感器的位置分布一致。當(dāng)實際溫度變化時，小矩形將通過顯示不同的顏色來表示實際溫度所在區(qū)間，0℃以下顯示為紅色，0℃～5℃顯示為淺綠色，5℃以上顯示為深藍(lán)色，區(qū)間分類方式可根據(jù)運行人員需要隨時變更。將鼠標(biāo)指針放在某一位置，滾動鼠標(biāo)可將溫度顯示界面某一區(qū)域放大，單個測點的溫度值會出現(xiàn)在小矩形框中，如圖7所示。

圖6 溫度監(jiān)測主界面Fig.6 The main interface of temperature monitoring

圖7 監(jiān)測界面單個測點溫度值顯示Fig.7 Single measuring point temperature display in the monitoring interface

圖8 溫度場三維分布Fig.8 Three-dimensional of the temperature field distribution

深入分析每臺空冷風(fēng)機上方散熱器溫度分布可點擊對應(yīng)風(fēng)機符號進(jìn)入溫度場三維分布界面，系統(tǒng)以三維圖的形式將溫度場立體直觀的展現(xiàn)出來，如圖8所示。

在監(jiān)測軟件上可以設(shè)置每一溫度測點的報警上、下限，當(dāng)測點實際溫度超出上、下限時監(jiān)測界面右上角小鈴鐺會晃動并彈出報警信息，同時自動生成報表供日后查詢；點擊菜單欄上的“趨勢圖”選項，即可進(jìn)入歷史趨勢查詢模塊，選擇所要查詢的溫度點，并設(shè)置好起始時間、顯示時間及時間間隔，所選溫度點的歷史趨勢既以曲線形式顯現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了基于無線通信的空冷島溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在某300 MW直接空冷機組上成功應(yīng)用。其目的是為運行人員在分析空冷散熱器溫度分布及冬季預(yù)防散熱器凍結(jié)時提供數(shù)據(jù)依據(jù)，避免定期巡檢，減輕運行人員負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)具有以下特點：

1）采用無線測溫方式解決了空冷島溫度場無法實時在線監(jiān)測的問題：傳感器安裝在空冷島上，與接收設(shè)備之間通過無線方式進(jìn)行信號傳輸，無需鋪設(shè)電纜，設(shè)備安裝簡單；同時，無線方式不會對原有流場和溫度分布產(chǎn)生影響。

2）系統(tǒng)可采集空冷散熱器溫度數(shù)據(jù)，覆蓋空冷系統(tǒng)所有散熱面積，為空冷系統(tǒng)預(yù)警、運行調(diào)整、防凍、節(jié)能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）運行人員可通過基于B/S模式開發(fā)的監(jiān)測軟件及時關(guān)注空冷島溫度場的變化，冬季根據(jù)局部溫度異常報警及時對空冷島散熱器做相應(yīng)的防凍保護(hù)處理，保障了機組的安全運行。

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