直接型空冷岛风机智能控制系统研究

童宇衡　谢紫莹　黄悠然　万宇辉

摘要：系统采用光纤光栅温度传感技术对空冷岛的空冷凝汽器翅片管面进行温度监测，可实现大面积多点分布式温度监测，对采集到的实时温度数据进行处理后，调节单个轴流风机功率使其达到最佳转速，能够节省大量由于人为调节不及时而浪费的电能，也提高了翅片管面温度检测的实时性，解决了空冷系统冬季运行时翅片管冻结的安全隐患。

关键词：直接型空冷岛；风机智能控制系统；光纤传感；温度；节能；防冻 文献标识码：A

中图分类号：TP323 文章编号：1009-2374（2015）28-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.009

1 研究背景及意义

空冷技术作为一种新型的火电厂冷却技术，相比于传统水冷技术，能够节省65%～80%的水资源。直接空冷技术即用空气直接冷却汽轮机排汽，汽轮机排汽通过排汽管送到户外的空冷凝汽器内，轴流风机使空气流过散热器外表面，使乏汽凝结为水进入热井，再经凝结水泵送入汽轮机的回热系统。直接型空冷系统具有节省水资源、成本较低、减少环境污染等优点，但随着空冷机组数目的不断攀升和空冷系统风机功率的大幅提升，空冷系统中存在的问题也逐渐明显：由于空冷系统的规模过于庞大，现有技术上难于实现大规模空冷凝汽器空气测温度监测。传统的电类传感器在空冷岛现场安装困难，采购、安装和维护成本较高，且很难避免对原有流动场和温度场产生干扰。截至目前，尚无完善的空冷岛温度场监测系统；目前多采用人工测温手动调节大功率轴流风机转速，造成了电能的大量浪费。同时，由于蒸汽隔离阀不严，空冷系统在冬季启停机、正常运行及事故情况下都易出现空冷凝汽器冻结的现象。

针对直接型空冷机组现状，提出了一种直接型空冷岛风机智能控制系统，与传统机组相比，其可实现以下功能：（1）实时大面积多点分布式温度监测；（2）精确调节单个轴流风机转速使其达到最佳转速，能够节省大量由于人为调节产生的电能浪费；（3）改善了冬季空冷系统因翅片管冻结而造成的机组故障问题，带来了大量的经济效益。

2 设计方案

本系统由两个部分构成：（1）实时测温及轴流风机控制模块：通过对空冷岛上空冷凝汽器翅片管温度的实时监测，将数据传回控制模块，数据处理后优化算法，调整轴流风机的转速，节省驱动风机所消耗的电能；（2）智能控制及上位机监控模块：进行数据处理，监测控制各模块数据，实现人机交互，保证系统的正常运行。

2.1 温度监测系统

本作品采用了分布式光纤光栅传感技术，在一根光纤上串接成百上千个光纤光栅温度传感器，根据理论研究与实际运行经验，通常逆流单元比顺流单元更容易结冰，尤其是在逆流单元的上部，并且在顺流单元与逆流单元的上部区域的交界处，温度偏差可达10℃以上。因此，本作品在逆流单元、逆流单元上部边缘区域、顺流与逆流单元相邻处密集布置温度测点，在顺流单元稀疏布置测温点，从而实现大范围空冷岛上翅片管的多点分布式温度监测。测点布置原理图如图1所示：

光纤传感温度测量解调部分使用反射率低于0.1%的弱光栅构成TDM传感网络，提高网络的复用能力。结合OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）技术与扫描激光技术，实现TDM传感网络的解调。使用一组不同波长的脉冲光就能获取光纤上所有光栅反射光的详细光谱信息，在一根光纤上等距刻制多个全同（中心波长相同）的光纤布拉格光栅（FBG）传感器，通过OTDR来标定不同位置光栅返回的信号，利用光栅返回信号的光谱信息解调出不同温度下FBG传感器的波长，进而得到实时温度数据。

2.2 风机智能控制系统

根据实时采集的翅片管温度数据，通过轴流风机控制算法，调节单个轴流风机转速：根据相关理论研究和实验数据，调节轴流风机转速的依据是直接型空冷岛汽轮机排汽压力，即背压，而背压由空冷凝汽器压力直接影响。本方案通过光纤光栅传感器测回的大量温度信息，得到实时的空冷凝汽器压力数据，继而推算出当前汽轮机的排汽压力数据，在没有超过阻塞背压的前提下，机组功率将随着排汽压力的降低而增大，同时风机消耗功率也随之增加。因此，当发电功率的增量与对应风机耗功之差取最大值时，所对应的风机转速即为最佳值。通过上位机监控实时的温度数据，经过轴流风机控制算法优化后，得到最佳风机转速，依此自动调节单个风机转速，使其达到最佳转速。算法流程如图2所示：

轴流风机控制算法：（1）对该风机对应范围内温度测试点进行有效值检测，剔除与周围温度相差极大的误点，然后对其余有效温度数据使用均值滤波，得到当前时刻对应的翅片管温度值并储存，在一个较短的时间周期内对该范围内的温度数据采用上述方法进行多次采集并储存。（2）由测量的温度数据转换成相应的空冷凝汽器压力pt。（3）确定汽轮机排汽压力，即背压pb；pb=pt-p1-p2；p1为排汽管道压力损失，Pa；p2为水蒸汽柱引起的压差，Pa。（4）确定该排汽压力下机组功率增量pe；pe=Ga（hd-h）；Ga为机组排汽量，kg/s；hd为设计机组排汽滞止焓，J/kg；h为变工况机组排汽滞止焓，J/kg。（5）确定风机功耗M；M=G*p/（ρ*e1*e2*e3）；G为风机空气流量，kg/s；p为风机全压，Pa；ρ为实际环境状态下空气密度，kg/m?；e1为风机效率；e2为原动机效率；e3为传动效率。（6）由于在机组负荷和环境条件一定时，提高风机转速，可降低排汽压力，在没有超过阻塞背压的前提下，机组功率将随着排汽压力的降低而增大，同时风机消耗功率也随之增加。当发电功率的增量与对应风机耗功之差取最大值时，所对应的风机转速即为最佳值。因此，轴流风机控制算法最终输出该风机的最佳转速值。

3 创新性

（1）实时温度监测。利用光纤光栅传感技术实时监测空冷凝汽器翅片管面温度，反馈温度信息，实现大面积多点分布式温度监测，提高了测温实时性。（2）风机智能控制。根据采集的温度信息结合有效的控制算法更加精准细致地控制各个轴流风机的转速，减少电能的浪费。（3）管道过冷防冻。实时监测管面温度，当局部温度过低时及时降低单个风机转速使温度回升，避免管道结冰使得空冷散热器堵塞，造成机组故障。

4 应用前景

自1966年在哈尔滨工业大学试验电站的50kW机组上首次进行了直接空冷系统的试验起，关于电场空冷技术的研究便稳步向前，近几年我国直接空冷机组更是得到突飞猛进的发展。2010年在华北、西北、东北的“三北”地区，建设了单机容量600MW级燃煤直接空冷机组群与直接空冷装置群，计有34台，装机容量为20.4GW。

到2012年底，我国空冷机组装机总容量约150GW，我国已是全球的空冷王国。在政府的强力节水政策下，空冷几乎成了中国北方火力电站冷却方式的唯一选择。本系统针对直接型空冷岛进行优化，应用前景广阔。

参考文献

[1] 马义伟.发电厂空冷技术的现状与进展[J].电力设备，2006，7（3）.

[2] 张博.300MW直接空冷机组冬季冻结原因分析[J].商情，2014，（3）.

[3] 张燕君，谢晓鹏，徐华斌.WDM与OTDR结合的弱光栅分布式温度传感网络[J].光电工程，2012，39（8）.

[4] 戴振会，等.国内外直接空冷系统的发展及现状[J].电站系统工程，2009，（3）.

作者简介：童宇衡（1994-），男，湖北鄂州人，武汉理工大学信息工程学院学生，研究方向：光纤传感。

（责任编辑：周 琼）