1、doi: 103969/j issn1009 3230201307012温度在线监测与分析系统在直接空冷发电机组上的应用廖光明1， 陈冠兵2， 高建强2(1山西平朔煤矸石发电有限责任公司，山西朔州036800;2华北电力大学，河北保定071000)摘 要 : 空冷凝汽器由于面积大，周围电磁环境复杂等因素，传统的在线监测系统无法得到应用。针对山西平朔煤矸石发电有限责任公司二期两台300MW机组研发直接空冷在线监测与分析系统，实现对空冷凝汽器的实时温度测量，为全面准确把握空冷系统的运行状态奠定基础，并通过对温度场和其他经济参数的分析，指导机组安全经济运行。关键词 : 空冷凝汽器;温度场;实时监测;
2、一线制中图分类号 : TK311 文献标志码 : B 文章编号 : 1009 3230( 2013) 07 0043 05Apply of Line Temperature Monitoring and Analysis Systemon the Direct Air-cooled Generator SetLIAO Guang-ming1， CHEN Guan-bing2， GAO Jian-qiang2( 1 Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co ， Ltd ， Shuozhou 036800， China;2 North Chi
3、na Electric Power University， Baoding 071003， China)Abstract: due to the large area around the complex electromagnetic environment and other factors，air cooled condenser traditional online monitoring system can not be applied Researching anddevelopment of line temperature monitoring and analysis sys
4、tem for the 300MW direct air coolingpower unit of Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co Ltd A real-time temperaturemeasurement of the air-cooled condenser was achieved， and laid the foundation for comprehensive andaccurate grasp of the operating status of the air-cooling system And guide
5、the units operation safelyand economically by analyzing the temperature field and other economic parametersKey words: Air cooled condenser; Temperature field; Real-time monitoring; One-line system0 引 言收稿日期 : 2013 05 30 修订日期 : 2013 06 10作者简介 : 廖光明 ( 1974 ) ， 男 ， 工程师 ， 研究方向为空冷系统的在线监测与节能分析 。近年来直接空冷机组以其
6、节水效果显著在我国三北地区得到广泛应用 ， 然而在直接空冷系统运行期间 ， 发现空冷岛存在换热不均 。在机组运行时 ， 每列之间的换热情况也不尽相同 ， 同列中每个冷却单元的换热也存在差别 ， 逆流区出口管子内换热较差 ， 温度较低 ， 在冬季极有可能出现冻结现象 。另外电厂的监测手段少 ， 只有少量凝结水温度 、背压 、风机转速 、风向等测点 ， 没有散热器的空气温度和管壁温度的监测装置 1 2。如果需要一些运行的温度数据都是人工临时进行测量 ， 同时结合运行经验进行处理 ， 缺乏科学依据 ， 有一定的盲目性和滞后性 。因此尝试开发监测空冷换热器的温度场的装置尤为迫切 。342013 年第
7、7 期 ( 总第 187 期 ) 应用能源技术文中通过在山西某电厂二期 300 MW 直接空冷机组空冷凝汽器上开发了采用一线制技术的温度在线监测系统 ， 用于监测空冷换热器的温度场分布 。该系统可以在线实时监测空冷器的进口空气温度 、出口空气温度和管壁温度 ， 并通过数据处理 ， 用软件发布监测结果 ， 为运行 、管理 、检修人员提供可靠的信息 ， 为机组安全经济运行 、事故处理等提供依据 ， 提高电厂的安全经济运行和管理水平 3 5。2 空冷凝汽器系统简介文中二期 2 300 MW 的直接空冷机组 。每台机组有空冷散热器 24 个 ， 分为 6 列 ， 每列 4 个冷却单元 ， 其中每列第二
8、个冷却单元为汽水逆流式 ， 其余为汽水顺流式 ; 空冷器散热管以近 60角成等腰三角形 ( A 型 ) 结构 ， 每个冷却单元下布置一台轴流风机 。如图 1 所示 。单台冷却面积 80万 m2。电厂所处位置春季干旱少雨雪 ， 夏季短暂而多暴雨 ， 秋季降温快 ， 冬季严寒而漫长 。极端最高气温为 345 ， 极端最低气温为零下 29 2 。特别是冬季气温可达零下 292 ， 而且冻结的时间跨度较长 。3 在线监测系统总体规划及系统功能整个系统由硬件系统和应用软件构成 。硬件图 1 直接空冷凝汽器结构示意图系统主要包括测温系统和数据处理服务器 ， 其中测温系统主要包括集成化数字温度传感单元 、分
9、线器 、数据接口计算机和通讯电缆等组成 。空冷凝汽器的内侧 、外侧布置若干个集成化数字温度传感单元 ， 对进出口空气温度 、凝结水温度等进行测量 ， 并采用 “一线制 ”方式 ， 通过分线器集成 。本系统基于集成化数字测温与计算机网络技术 ，适宜大面积 、多测点 、狭小空间测温使用 ， 解决了空冷系统面积大 、温度测量困难等问题 。数据处理服务器主要功能是从该服务器上读取部分直接空冷性能分析所需要的现场运行参数值 ， 如背压 、机组负荷 、凝结水温度 、机组发电煤耗 、轴流风机电流等 。空冷凝汽器监测数据和 DPM 分别具有各自的发布终端 。图 2 展示了系统数据传输 、发布的流程 。图 2
10、硬件系统总体构成44 应用能源技术 2013 年第 7 期 ( 总第 187 期 )系统主要实现以下几种功能 ， 满足正常运行需求 。31 温度场监测 、凝汽器端差监测通过计算分析空冷凝汽器局部端差 、综合平均端差数据 ， 可以指导制定空冷凝汽器清洗方案 ，实现清洗节水 、优化局部清洗次数 、提高汽机的真空值 ， 实现机组节能降耗运行 。32 空气侧温升监测 1通过在线监测空冷凝汽器的空气温度场 ， 测量并计算空冷凝汽器进出口空气的温度和温升 ，结合空冷系统传热面积 、传热系数 、风机转速 、风机特性线 、汽轮机特性线等数据 ， 确定机组最佳真空值 6 10。33 管束换热不均监测空冷凝汽器的
11、管束不同部位的热流密度是不均匀的 ， 而管束上换热的不均匀性导致换热管束出口空气温度的分布不均匀 。通过分析不同单元间端差 、温升 、污染程度 ， 可针对性分析空冷系统存在的问题 ， 发现空冷系统局部阻塞 、换热停滞 、流动异常等情况 ， 对提高空冷运行的可靠性 、安全性等都有重要意义 。34 热回流监测空冷系统在自然风的作用下容易出现热回流 ， 热回流最大的影响是使空冷散热器入口温度升高 ， 最终导致空冷凝汽器真空降低 。自然风增大导致空冷空气的流场混乱 ， 热回流现象加剧 ， 严重时整个空冷系统呈现一种换热停滞现象 ， 使汽轮机背压急剧升高 ， 危及汽轮机安全运行 。空冷系统温度在线监测可
12、以监测热回流现象的发生 ，指导运行人员及时采取措施 ， 防止机组事故发生 。35 防冻监测空冷系统冬季运行时 ， 监测凝汽器出口空气温度分布 ， 能够协助判断冻结是否产生 、以及冻结发生的位置 ， 通过运行调整避免冬季冻结现象的发生 。36 设备检修指导通过凝汽器温度场在线监测 ， 可以监测喷水投入时的喷水冷却效果 ， 并判断喷头故障的可能性 。凝水管和人行通道不在一个水平面上 ， 中间有挡风板 ， 如果挡风板突然破损 ， 挡风板的漏风系数大 ， 对真空的影响比较大 。通过在线监测温度场 ， 可以判断挡板大面积破损对机组真空的影响 。4 研究方案及测点布置在凝汽器每侧散热管束上各布置四列测温单
13、元 ， 其中两列测量壁温 ， 另外两列测量空气出口温度 。每列凝汽器内部布置一列测温单元测量空气进口温度 。如图 3 所示 。由于运行过程中凝汽器汽水分布的不均匀性 ， 使得在运行时凝汽器各处出现散热不均 ， 考虑到壁温在防冻效果的监测的作用 ， 把两条壁温测点安装在空冷凝汽器 “人字形 ”的最上面和最下面 ， 空气测点基本均匀布置 。空冷凝汽器结构尺寸庞大 ， 测点过少则不能满足全面监测其运行性能的需要 ， 而测点过多会增加数据处理和管理的负担 。因此 ， 综合考虑各种因素 ， 同时考虑到成本控制需要 ， 最终将测点数量总体控制在 800 点左右 。冬季温度低时 ， 逆流区是最容易出现冻结现
14、象的位置 ， 因此 ， 逆流区的测点布置比顺流区要密一些 。在顺流单元中 ， 布置测壁面温度的测温单元 14 18 个 ; 在逆流单元中 ， 布置测壁面温度的测温单元 54 个 。在第二列和第三列风机单元所处位置为整个空冷凝汽器各列最佳 ， 所以不再布置测量壁温大小的测温单元 。在每个风机单元中 ， 布置测空气出口温度的测温单元 14 16 个 ;布置测空气进口温度的测温单元 1 个 。总共布置804 个测温单元 ， 其中测壁温点有 408 点 ， 测空气出口温度有 372 点 ， 测空气进口温度有 24 点 。542013 年第 7 期 ( 总第 187 期 ) 应用能源技术图 3 总体布置
15、示意图5 主要技术难点51 测点安装难度大由于空冷散热器尺寸大 ， 每列长度达 51 m多 ， 温度数据总线和电源线的跨度大 ， 且中间支撑手段少 ， 使得测温元件距离换热管的距离控制不够一致 。此外 ， 由于散热器配置有夏季冲洗系统 ，冲洗喷嘴滑梯与散热管的距离较近 ， 给测温系统安装余留空间较小 。因此测点安装难度较大 。52 测温硬件的工作环境恶劣测温元件和测温数据线等硬件露天布置 ， 除了受到机组负荷变化引起的温度变化的影响外 ，还会受到环境温度 、日照 、雨 、雪 、风速等气候条件影响 ， 需要克服因温差变化引起的数据线膨胀 、夏季高温 、冬季低温 、雨水腐蚀等多种不利因素对测温系统
16、硬件的影响 。53 数据采集的实时性问题DS18B20 一线制通信功能是分时完成的 ， 它有非常严格的时序要求 。采用基于 DS18B20 的测温系统 ， 测量点多达 804 个 ， 数据采集周期很难满足实时性要求 。目前 ， 国内外基于 DS18B20 测温技术的其它领域 ( 如粮仓测温系统 ) 的测温系统的数据采集周期普遍较长 ， 一般长达数秒 。而本项目中 ， 设计了大量温度测点 ， 要求其数据采样周期控制在 1 s 内 ， 以满足实时性要求 ， 其数据采集的硬件和软件要求高 。54 数据传输距离长空冷岛整体尺寸大 、距地面较高 ， 数据传输距离较长 ， 必须选择合适数据传输方式 ， 以
17、保证大量数据在传输过程中的速度和精度 。55 散热器污垢的影响 7污染速度和程度受当地环境的影响很大 ， 其污染系数大小的确定仍是当今的难点 。污染程度对整个温度场的监测的影响也需要进一步的考虑和研究 。6 技术突破及创新点系统基于一线制数字测温与计算机网络技术 ， 解决了空冷系统面积大 、温度测量困难等问题 。在现有 DCS 中空冷系统所监测的汽水参数 、空冷岛风速 、风向 、环境温度等参数的基础上 ， 可以在线监测空冷单元的进 、出口风温 、管壁温度 ，丰富了其监测手段 ， 对于全面准确把握空冷系统的运行状态具有重要意义 。DS18B20 一线制通信功能是分时完成的 ， 它有严格的时序要求
18、 。因此采用 DS18B20 集成化数字测温单元 、一线制方式的温度场监测系统 ， 由于采集各点温度数据 ， 需要有固定的时间间隔 ， 当测点很多时 ， 数据采集周期不易满足实时性要求 。特别是本项目的测点数量多达 804 个 ， 其采样时间周期需要通过采集器中的采集软件优化控制 ，本项目数据通讯的采样周期为 1 s。系统是首套实际应用于发电机组直接空冷凝汽器的温度监测系统 。根据目前公开的资料 ， 还没有实际用于直接空冷机组的 、与本项目类似的在线温度监测系统的应用报道 。7 结束语通过空冷机组的温度场在线监测系统 ， 能够很容易得到运行中的空气温升状况和实际空气出口温度分布等参数 ， 用于
19、指导机组运行 ， 提高机组64 应用能源技术 2013 年第 7 期 ( 总第 187 期 )的安全经济运行水平 。尤其是冬季可以实时监测空冷 凝汽器运行状况 ， 为调整机组背压提供参考 。系统主要具备经济性和安全性两大方面的在线监测功能 ， 通过对温度场 、风机电耗 、机组煤耗以及环境温度的监测分析 ， 预测机组当前负荷及环境温度下的经济运行参数 ， 达到了实时监测指导运行的目的 。通过安装空冷性能在线监测系统 ， 每年能够捕获 1 次大风造成换热恶化的热回流 ， 经操作人员预先正确处理 ， 避免了停机甩负荷 1 次 ， 300MW 机组减少启停机一次可节约费用 30 万元左右 。夏季运行时
20、 ， 通过监测端差 ， 合理制定冲洗方案 ， 并且时刻监测冲洗效果 ， 使真空提高 1 kPa， 可节省煤耗 2 g/kWh， 300 MW 机组按 70%负荷系数运行 5 个月计算 ， 取得热经济效益为 105 万元 。此外 ， 可调整 、协调不同单元间风机的转速 ，增加出口空气温度高的单元的通风量 ， 减少出口空气温度低的单元的通风量 ， 最后使整体空冷系统空气温升和汽轮机排汽压力处于一个最佳状态 ， 使真空降低 0 5 kPa， 可实现经济效益 50 多万元 。综上分析 ， 系统的应用对于机组的安全 、经济运行意义重大 ， 节能降耗效果明显 。参考文献1 杜小泽，金衍胜，姜剑波，等火电厂
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