塔式光熱發(fā)電無線儀表和無線網(wǎng)絡(luò)配置研究

李才永，胡立國，徐同社

(中國電建河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

塔式太陽能光熱電站太陽能收集鏡場面積巨大(2～10 km2)，鏡場沒有大型遮擋物、也沒有大功率電機(jī)等強(qiáng)電磁干擾源。太陽能收集鏡場儀表控制系統(tǒng)適合于應(yīng)用無線儀表與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以節(jié)省大量控制電纜、信號電纜和通訊電纜使用量(一個光熱電站估計(jì)可以節(jié)省上千公里電纜)和相關(guān)安裝、調(diào)試工程量，縮短施工安裝工期，提高基建效率，還可以避免由電纜受機(jī)械損傷或嚙齒動物撕咬引起的設(shè)備故障。

1 主要檢測儀表配置

本文介紹的群塔式光熱電站工藝系統(tǒng)配置為：填充高純度石墨的吸熱蓄熱器布置在各太陽能吸熱蓄熱塔頂部，每個塔下布置若干面定日鏡，將陽光反射并匯聚到吸熱蓄熱器下方的開孔內(nèi)部，加熱蓄熱介質(zhì)石墨，石墨溫度最高溫度可達(dá)800℃。石墨中埋有給水和蒸汽管道，當(dāng)需要蒸汽來發(fā)電時則向石墨塔中通入給水即可產(chǎn)生蒸汽供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電使用。

該群塔式光熱電站的鏡場儀表均可以采用無線儀表或無線轉(zhuǎn)接方式和鏡場控制服務(wù)器連接。連入無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備主要由以下幾個系統(tǒng)的儀控設(shè)備。

1.1 吸熱蓄熱介質(zhì)溫度監(jiān)視

塔式光熱電站的吸熱蓄熱介質(zhì)必須運(yùn)行在合理的溫度范圍內(nèi)，溫度過低無法產(chǎn)生合適的溫度蒸汽供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用。溫度過高會影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，造成吸熱蓄熱介質(zhì)破壞、熱交換管道損壞、儀控設(shè)備損壞等等。吸熱蓄熱介質(zhì)溫度監(jiān)視還應(yīng)為蓄熱量計(jì)算提供輸入?yún)?shù)，根據(jù)蓄熱量計(jì)算結(jié)果確定光熱電站的運(yùn)行模式。

(1)主要應(yīng)設(shè)置以下溫度監(jiān)視點(diǎn)：吸熱腔溫度監(jiān)控；蓄熱介質(zhì)溫度(溫度場)監(jiān)視；蓄熱器產(chǎn)生的蒸汽溫度監(jiān)視、調(diào)節(jié)。

(2)吸熱腔溫度監(jiān)控是最為重要的測點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：測量太陽能輸入量；控制定日鏡運(yùn)行，當(dāng)吸熱腔溫度達(dá)到最高限值時(此時蓄熱器的蓄能已達(dá)到最大值)，應(yīng)控制部分或全部定日鏡散焦(定日鏡反射光指向天空)，避免吸熱蓄熱介質(zhì)超溫。此時若吸熱蓄熱介質(zhì)正在產(chǎn)生蒸汽，應(yīng)控制部分定日鏡散焦，使吸熱蓄熱介質(zhì)輸入能量和輸出能量相同；若吸熱蓄熱介質(zhì)不產(chǎn)生蒸汽，則應(yīng)控制全部定日鏡散焦。

1.2 光熱電站氣象站

氣象站主要測量以下參數(shù)：太陽法向直射輻射量(Dsrect Normal Irradiance,DNI)；風(fēng)速；風(fēng)向；氣溫；濕度；降水量。

至少需要逐分鐘采集以上氣象數(shù)據(jù)。

1.3 吸熱蓄熱器蒸汽溫度控制儀表配置

吸熱蓄熱器內(nèi)部的蓄熱介質(zhì)溫度會在產(chǎn)生蒸汽過程中不斷下降(蓄熱介質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)移到蒸汽中)，蓄熱介質(zhì)和給水的溫度差不斷減少，若需要保持恒定的蒸汽溫度則需要減少給水流量。吸熱蓄熱器蒸汽溫度是通過調(diào)節(jié)流過吸熱蓄熱器的給水流量來控制蒸汽溫度。為保證蒸汽溫度以滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)要求，給水流量應(yīng)和蓄熱介質(zhì)溫度成近似正比關(guān)系。

該系統(tǒng)主要配置以下儀表：給水溫度(熱電阻)；蒸汽溫度(熱電偶)；流量調(diào)節(jié)閥；給水壓力；蒸汽壓力。

1.4 定日鏡控制儀表配置

每面定日鏡配置一個就地控制器和兩臺高精度驅(qū)動馬達(dá)(可調(diào)步進(jìn)電機(jī))及其驅(qū)動模塊。驅(qū)動馬達(dá)采用48VDC供電，帶固態(tài)行程開關(guān)。就地控制器的功能也可以由鏡場中心服務(wù)器完成，定日鏡就地只配置馬達(dá)驅(qū)動模塊。這兩種配置方式影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋秃腿萘考翱刂七壿嬤\(yùn)算負(fù)荷的分配，應(yīng)在綜合比較投資和技術(shù)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上確定。

2 無線儀表和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型

塔式太陽能光熱電站定日鏡可根據(jù)就地監(jiān)控設(shè)備的特點(diǎn)配置無線多組合信號轉(zhuǎn)接器(定日鏡不帶就地控制器)或無線HART、Modbus TCP/RTU轉(zhuǎn)接器(定日鏡帶就地控制器)。定日鏡的就地控制器主要完成定日鏡驅(qū)動電機(jī)位置指令計(jì)算，狀態(tài)監(jiān)視，若定日鏡不帶就地控制器，則這些功能由鏡場控制服務(wù)器完成。定日鏡還可根據(jù)需要配置無線位置變送器，實(shí)時監(jiān)控每面定日鏡的位置。

在每個太陽能吸熱蓄熱塔頂設(shè)無線多功能節(jié)點(diǎn)，與該吸熱蓄熱塔所屬的定日鏡、變送器等進(jìn)行通訊。在動力島設(shè)置無線多功能節(jié)點(diǎn)和鏡場控制服務(wù)器連接。塔式太陽能光熱發(fā)電定日鏡的無線儀表設(shè)備及多功能節(jié)點(diǎn)的供電方式采用就地供電，因?yàn)槎ㄈ甄R的驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要電源進(jìn)行驅(qū)動，可以從驅(qū)動裝置電源處分接電源線對無線儀表進(jìn)行供電，不需要考慮無線儀表內(nèi)置電源的情況，由于采用有線電源供電，無線儀表設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際情況來確定一些參數(shù)，比如設(shè)備的刷新頻率，天線增益(發(fā)射功率)等。無線儀表設(shè)備通過無線方式直接與無線多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，也可以在無線儀表設(shè)備之間進(jìn)行路由通訊，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和與服務(wù)器上位監(jiān)控系統(tǒng)的集成。

無線變送器支持最快1 s的數(shù)據(jù)刷新速度，也可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定刷新速率比如5 s、10 s等。定日鏡的無線變送器刷新速率可以設(shè)定為1 s，實(shí)時采集每面定日鏡的角度位置，并獲得來自氣象觀測站通過太陽方位傳感器測得的太陽的高度角和方位角(或采用天文觀測的太陽方位修正后獲得實(shí)際的太陽的高度角和方位角)，將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，減少由于定日鏡長期運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的誤差。安裝在吸熱蓄熱塔上的溫度無線變送器刷新頻率可以考慮設(shè)定較長的刷新時間，因?yàn)槲鼰崴顭峤橘|(zhì)的蓄熱能力較強(qiáng)的溫度變化所需時間比較長，而對于給水管道的流量變送器和水蒸氣出口管道上的溫度無線變送器應(yīng)當(dāng)設(shè)定為設(shè)備所支持的最大刷新頻率。室外安裝的無線變送器等無線設(shè)備防護(hù)等級應(yīng)為IP66，以適應(yīng)定日鏡高壓水沖洗的要求；對于危險區(qū)域(如使用導(dǎo)熱油、熔融鹽等危險介質(zhì)的場合)，必須具有隔爆和本安危險認(rèn)證。

根據(jù)環(huán)境的溫度對無線變送器以及多功能節(jié)點(diǎn)做好溫度防護(hù)，無線儀表設(shè)備的安裝位置應(yīng)使其不受會聚光的照射。室外安裝的無線設(shè)備必須加裝浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器接地端子良好接地，做好防雷措施，避免感應(yīng)雷損壞設(shè)備。考慮到吸熱塔也要做防雷措施，安裝避雷針，也可以設(shè)計(jì)避雷針的保護(hù)范圍覆蓋該吸熱塔的全部定日鏡，這樣可以省去定日鏡單個節(jié)點(diǎn)都做防雷措施。

3 無線儀表設(shè)備主要類型

(1)無線壓力變送器：包括表壓，絕壓，精度為±0.075%。可以應(yīng)用于各種管道壓力實(shí)時過程數(shù)據(jù)采集。壓力變送器主要應(yīng)用于吸熱蓄熱塔的給水壓力和蒸汽壓力等的測量。

(2)無線溫度變送器：實(shí)施采集和傳輸電廠內(nèi)的各個溫度測點(diǎn)的過程數(shù)據(jù)。可以用于采集電廠各類管道、儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度、金屬溫度檢測、室外汽水管道檢測等。溫度無線變送器主要應(yīng)用于測量吸熱蓄熱塔出口蒸汽的溫度和吸熱塔吸熱蓄熱介質(zhì)溫度、鐵塔金屬溫度等數(shù)據(jù)的采集傳輸。

(3)無線差壓/流量變送器：實(shí)施采集和無線傳輸電廠內(nèi)的差壓或流量數(shù)據(jù)，精度為±0.075%。主要用于吸熱蓄熱塔的給水和蒸汽流量、光熱電站廠區(qū)補(bǔ)水流量等參數(shù)的測量。

(4)無線多功能組合轉(zhuǎn)接器：實(shí)時采集和無線轉(zhuǎn)接電廠內(nèi)的有線信號，包括AI(4～20 mA，1～5 V，0～5 V)、TC、DI、DO，可以靈活組合各類信號類型。適用于閥位、溫度、定日鏡方位等和各類開關(guān)量的測量、非關(guān)鍵系統(tǒng)的閥門、電磁閥、定日鏡驅(qū)動電動機(jī)控制。

(5)無線HART轉(zhuǎn)接器：采集和無線轉(zhuǎn)換傳輸電廠內(nèi)有線HART信號。適用于帶HART接口的定日鏡就地控制器、變送器、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)等儀表控制設(shè)備的無線信號轉(zhuǎn)接。

(6)無線Modbus TCP/RTU轉(zhuǎn)換器：采集和無線轉(zhuǎn)換傳輸電廠內(nèi)的有線Modbus TCP/RTU信號。適用于帶Modbus TCP/RTU接口的定日鏡就地控制器、氣象站系統(tǒng)等儀表控制設(shè)備的無線信號轉(zhuǎn)接。

(7)無線閥位變送器：采集手動閥門、電動閥門、氣動閥門、安全閥等的實(shí)時閥位和開度。

(8)無線多功能節(jié)點(diǎn)：支持構(gòu)建無線主干網(wǎng)，支持WiFi無線設(shè)備、Ethernet設(shè)備、ISA-100.11a無線變送器等設(shè)備的訪問。無線多功能節(jié)點(diǎn)主要用于構(gòu)建無線主干網(wǎng)，同時每個無線多功能節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)的角色，用于鏡場無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和光熱電站動力島的有線控制網(wǎng)絡(luò)的鏈接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

(9)手持設(shè)備：能夠通過WiFi、藍(lán)牙或者其它的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的軟件升級，固件更新或者是設(shè)備的加入和授權(quán)，同時可以檢測現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。手持設(shè)備可以支持光熱電站各類儀表、控制設(shè)備的組態(tài)調(diào)試和診斷維護(hù)。

4 無線管理平臺

無線管理平臺是基于Web頁面的現(xiàn)場無線設(shè)備管理平臺，內(nèi)置防火墻，管理無線網(wǎng)絡(luò)和所有的無線儀表。

無線管理平臺需實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)無線網(wǎng)絡(luò)的通訊診斷：用來管理和診斷無線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的無線通訊情況，能實(shí)現(xiàn)圖形功能界面來監(jiān)視無線電通訊狀態(tài)、無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且當(dāng)現(xiàn)場無線變送器或多功能節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的時候能夠偵測出故障設(shè)備的位置或者是編號等，便于維修和更換。

(2)支持對無線變送器的遠(yuǎn)程在線組態(tài)、校準(zhǔn)和維護(hù)。

(3)統(tǒng)一管理無線網(wǎng)絡(luò)的安全。

(4)無線管理平臺可以很容易的實(shí)現(xiàn)訪問，比如通過PC機(jī)或者是手持設(shè)備等。

無線管理平臺可以部署在太陽能光熱發(fā)電站動力島的DCS控制系統(tǒng)的服務(wù)器中，或采用專用的無線管理平臺。