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        一種大型鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔智慧運行解決方案研究

        2022-07-09 13:54:24李寧余喆
        機(jī)電信息 2022年13期
        關(guān)鍵詞:減排節(jié)能

        李寧 余喆

        摘 要:空冷系統(tǒng)是智慧電廠的重要組成部分,對安全經(jīng)濟(jì)運行、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)空冷塔智慧運行模式,為提高大容量機(jī)組運行管理水平,降低運行成本,提高經(jīng)濟(jì)效益提供解決方案。經(jīng)智慧運行優(yōu)化后,機(jī)組在相同負(fù)荷率下全年運行背壓可降低0.5 kPa以上,發(fā)電煤耗降低0.65 g/(kW·h),全廠熱效率和運行經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

        關(guān)鍵詞:智慧運行;節(jié)能;減排

        中圖分類號:TK39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號: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[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2×660 MW發(fā)電機(jī)組工程是我國首個應(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”項目也采用了鋼塔結(jié)構(gòu)[3]。

        國電雙維2×1 000 MW空冷超超臨界發(fā)電機(jī)組工程是世界首個應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔的百萬機(jī)組電廠,間接空冷系統(tǒng)智能化運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)測點少且缺乏冷卻空氣側(cè)的有效監(jiān)測;間冷塔宏觀監(jiān)測能力不足,導(dǎo)致系統(tǒng)防凍措施采取不及時,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)組實際運行過程中全季節(jié)平均運行背壓偏高,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差;在極端惡劣氣候條件下,機(jī)組安全運行存在冰凍風(fēng)險。

        大型鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔智慧運行的目的是通過檢測間接空冷系統(tǒng)的每個冷卻三角管束的運行溫度,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,自動調(diào)節(jié)百葉窗的開度,優(yōu)化空冷運行。依據(jù)空冷溫度場檢測系統(tǒng)實現(xiàn)多點大面積的檢測特性,將空冷系統(tǒng)的自動調(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)組運行的安全性。間接空冷塔智慧運行系統(tǒng)主要涵蓋溫度場監(jiān)測控制系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。

        1? ? 溫度場監(jiān)測控制系統(tǒng)

        溫度場監(jiān)測控制系統(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,同時邊緣計算服務(wù)器與DCS、空冷島監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)互通,對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,經(jīng)智能化算法通過DCS控制百葉窗執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動閥門等被控對象的系統(tǒng)。

        溫度場監(jiān)測控制系統(tǒng)對電廠節(jié)能減排具有以下重要作用:降低機(jī)組冬季安全運行背壓3 kPa,降低機(jī)組全年運行背壓0.5 kPa以上,保證安全運行的前提下,有效降低能耗;逐步積累風(fēng)速對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)對空冷系統(tǒng)的影響;根據(jù)負(fù)荷情況,智能優(yōu)化循泵運行方式,降低廠用電,并不斷自診斷、自優(yōu)化;通過大數(shù)據(jù)分析,進(jìn)行運行診斷、維護(hù)提醒,進(jìn)一步提高機(jī)組運行經(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DCS采集現(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài),在DCS內(nèi)實現(xiàn)比較、順控、聯(lián)鎖等控制算法,輸出至空冷塔百葉窗、開關(guān)型閥門等完成控制。

        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),經(jīng)過調(diào)制解調(diào)儀后將數(shù)據(jù)傳輸至空冷監(jiān)控平臺,分送至DCS和邊緣計算服務(wù)器。邊緣計算服務(wù)器與DCS、空冷島監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)互通,可實現(xiàn)智能化監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2? ? 溫度場結(jié)構(gòu)

        空冷散熱器溫度場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”信號傳輸至電子間溫度場機(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。溫度場結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        1.3? ? 智能化控制

        間接空冷塔運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)和間冷實時運行數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測、數(shù)字孿生、仿真、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法,實現(xiàn)其目的。

        通過實時采集、計算模型計算出塔筒內(nèi)外部的實時流場,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)測子模型則進(jìn)一步計算出扇區(qū)的溫度場,輸出扇區(qū)出水管的冷卻水溫度。同時基于大量的歷史數(shù)據(jù),智能計算對動作策略進(jìn)行趨勢強(qiáng)化學(xué)習(xí),連續(xù)動作、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,每個反饋預(yù)測器參數(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,最終每個參數(shù)的概率密度分布將收斂到以最優(yōu)值為中心分布??绽鋶u監(jiān)控平臺(提供空冷島狀態(tài)監(jiān)測、控制、統(tǒng)計分析、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),基于時分、波分混合復(fù)用技術(shù),將被測參量轉(zhuǎn)換為光纖中相應(yīng)光信號,是真正集“傳”與“感”于一體的新一代傳感技術(shù),可用于監(jiān)測光纜沿線的溫度。

        時分復(fù)用的作用是利用光學(xué)雷達(dá)(OTDR),把每個光柵定義一個時間代碼,對探測光纜中的光柵進(jìn)行識別,并實現(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。

        2? ? 健康監(jiān)測系統(tǒng)

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

        2.1? ? 應(yīng)變監(jiān)測

        對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的構(gòu)件與節(jié)點,在施工全過程及使用階段的應(yīng)變/應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測,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)測點布置在各層加強(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、展開平臺與塔體相連接處的環(huán)向桿、第一層斜桿等部位作為監(jiān)測對象。

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

        2.2? ? 溫度監(jiān)測

        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。

        溫度監(jiān)測點位置與應(yīng)變監(jiān)測點相同,共布置52個傳感器。采用光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

        2.3? ? 風(fēng)壓監(jiān)測

        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,對風(fēng)荷載極為敏感。目前對鋼塔塔身內(nèi)外風(fēng)壓的研究,多停留在理論研究及模型試驗階段,尚缺乏實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本項目通過沿塔周外壁及內(nèi)壁布設(shè)風(fēng)壓監(jiān)測測點來進(jìn)行監(jiān)測,以取得風(fēng)壓分布的第一手資料。

        對風(fēng)壓沿塔周的分布進(jìn)行監(jiān)測,沿塔周每30°布置1個測壓點,沿高度方向布置,以監(jiān)測風(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)測有5個監(jiān)測截面,每個截面布置測點12個,共60個。內(nèi)風(fēng)壓有4個監(jiān)測截面,每個截面布置測點12個,共48個。風(fēng)壓傳感器一共有108個。測點布置如圖5所示。

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

        考慮到冷卻鋼塔體積大,高度高,對風(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環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測,作為百葉窗開啟的輸入條件,塔頂安裝超聲風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測。

        2.5? ? 變形監(jiān)測

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

        3? ? 結(jié)語

        國電雙維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)運行更經(jīng)濟(jì)、更高效。

        本間接空冷塔智慧運行解決方案在安全運行的前提下,可降低機(jī)組冬季運行背壓3 kPa,可使機(jī)組在相同負(fù)荷率下全年運行背壓降低0.5 kPa以上,能有效降低能耗,降低大風(fēng)對系統(tǒng)的影響,通過優(yōu)化循泵運行方式,降低廠用電,一臺百萬機(jī)組可年節(jié)電約400萬kW·h;同時可以進(jìn)行運行診斷、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。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 段常智,高磊.鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔主體施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu),2019,34(4):101-106.

        [2] 杜晶,張棟,陸灝.單層網(wǎng)殼與雙層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔結(jié)構(gòu)分析及比較[J].鋼結(jié)構(gòu),2018,33(1):78-82.

        [3] 石磊,王錦,薛海君,等.鋼塔對間冷散熱器換熱性能的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2017,41(4):70-76.

        收稿日期:2022-04-19

        作者簡介:李寧(1974—),男,山東泰安人,高級工程師,設(shè)計總工程師,從事大型發(fā)電廠工程機(jī)務(wù)設(shè)計工作。

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