空冷島動態參數監測系統設計

侯鵬飛，李林高，王 琦，白建云，印 江

(山西大學自動化系,山西 太原 030013)

0 引言

直接空冷機組具有節約水資源、建設周期短、占地面積小等優點，在北方地區得到了廣泛的應用[1]。直接空冷機組的運行狀態很大程度取決于周圍環境，不同的溫度、風速不僅影響機組運行的經濟性和安全性，而且會造成停機事故。因此，對空冷島空氣側出口溫度和出口風速進行動態監測，對于研究空冷島凝汽器換熱、分析空冷島空氣側的場分布、進行防凍和背壓控制研究具有十分重要的實際意義。通過對現場空冷島的溫度場和風速場進行監測，工作人員可以了解空冷島實時的狀態，為直接空冷系統的運行調整提供數據依據，在出現問題時能夠及時定位故障，便于處理。

直接空冷系統的規模過于龐大，換熱面積大，溫度分布存在差異，現有技術難以實現空冷凝汽器溫度和風速的大規模監測[2]。為了解決這一問題，設計了一套實時移動的監測裝置，用于測量空冷島任意測點的溫度和風速。選取IFIX組態軟件開發空冷島動態參數監測系統的監控畫面。IFIX實時獲取空冷島的動態參數，將獲得的數據存儲并顯示在監控畫面上，使得整個監控過程可視化。現場工作人員能夠輕易地通過監控系統發現并解決故障，確保整個空冷島系統的穩定性和安全性，提高企業的生產效率。

1 空冷島動態參數監測系統

本系統采用移動監測裝置測量空冷島空氣側出口溫度和出口風速，通過在空冷島的清洗裝置上安裝一套帶有電機的移動裝置，并在上面配置熱線風速儀，測量空冷島的溫度和風速。移動監測裝置監測現場的實時數據，并將數據通過PRFIBUS-DP總線傳輸到SIMOTION 控制器中。控制器通過PRFIBUS-DP 總線把數據傳輸給裝有IFIX5.0組態軟件的上位機系統。IFIX組態軟件通過OPC技術讀取現場空冷島的風速和溫度，并將這些數據存入自身的過程數據庫中，通過監控畫面來監測空冷島的溫度值和風速值。對每個測點的溫度值設置上下限，在超過限制的情況下進行報警，以此監測和保障空冷島的安全運行。同時，在監控畫面上控制電機的上下左右移動，使監測裝置能到達測點，并在監控畫面上顯示監測裝置的位置。空冷島動態參數監測系統如圖1所示。

圖1 空冷島動態參數監測系統框圖

2 空冷島測點方案布置

空冷島換熱面積大，表面溫度和風速分布不均，所設計的移動監測系統在空冷島動態參數測量過程中，測點存在一定的時間差。為了保證測量數據的準確性，需要對測點進行優化布置[3]。

某電廠的300 MW循環流化床機組，整個空冷凝汽器共分為6列，每列分為4個冷卻單元。其中：1#、3#、4#單元為空冷凝汽器的順流區，2#單元為空冷凝汽器的逆流區。

通過對空冷島的實際溫度值和風速值進行密集式測量，即每個冷卻單元豎向以及橫向以1 m間距為采樣點進行數據采集。數據分析表明，空冷島底部靠近風機中心的區域空氣流量大，其余位置空氣流量相對較小。翅片管束上下部的空氣流量分配也不均勻，下部空氣流量過大，氣流速度較大，而中部、上部空氣流量相對不足，氣流速度也較低。同時，在翅片管束底部空氣溫度分布也極不均勻，翅片管束中部附近位置氣流速度較低，對應的翅片管束出口空氣溫度較高；上部氣流速度則較高，對應管束出口空氣溫度較低。溫度分布與速度分布情況相反，管束中間位置溫度較高，兩側溫度較低，在冬季容易出現局部凍結情況。因此，整個逆流區和順流區的中下部是監測重點。流場計算表明，在順流區和逆流區的上、下部區域布置壁溫、風速測點，中部布置空氣溫度、風速測點使其能夠覆蓋到所有區域，達到監測的最佳效果。最終得出在空冷島“A”字型結構兩側各布置五排測點測量風速和溫度值最為合理。橫向上，結合空冷島測點布置原則和原有的布置方案，最終按順流單元和逆流單元分別確定各冷卻單元的測點布置。單元測點布置如圖2所示。一個順流單元的測點個數為21個，一個逆流單元的測點個數為25個。圖2中：●表示壁溫、風速測點；○表示空氣溫度、風速測點。

圖2 單元測點布置圖

3 硬件系統

3.1 SIMOTION D

空冷島移動監測裝置的控制器采用西門子新一代運動控制產品SIMOTION。SIMOTION D是基于SINAMICS S120驅動平臺、結構緊湊、功能強大的運動控制統[4]。SIMOTION D作為系統控制器，實現對電機的快速精準控制，使移動監測裝置在空冷島Λ型架構上下和左右移動，以此對空冷單元測點處的動態參數進行測量。通過軟件編程對伺服電機和三相異步交流電機分別進行控制，可實現機械裝置在空冷單元斜面縱軸和水平方向上的自由移動，進而實現了對空冷島上溫度和風速的測量。

3.2 熱線風速儀

空冷島測量裝置選用熱線風速儀，測量空冷島翅片管束溫度、空氣側出口溫度和出口風速的數據。其實現了一表多用，在縮短測量時間的同時，既減少了測量設備的投資，又降低了移動系統的載荷。熱線風速儀是一種將流速信號轉變為電信號的測量儀器，可以同時測量流速和測量溫度。熱線風速儀上的風速溫度探頭由兩根熱線單絲組成。一根用于測量溫度，另一根用來測量風速。測量出口側空氣溫度使用時，將探頭伸入到翅片管束面的正上方，測量翅片管束壁溫時則需要將探頭插入翅片管束之間的空隙中，以得到準確的數據。

4 軟件系統

4.1 數據傳輸

IFIX組態軟件本身沒有提供直接與 SIMOTION 通信的驅動器，控制器無法直接和IFIX組態軟件通信。SIMOTION 的編程軟件 SCOUT 可以將控制器中的變量表生成標準的 OPC 文件，被計算機上的SIMATIC NET軟件所加載，而 SIMATIC NET 又提供了標準的OPC通信接口，可以通過OPC技術來實現IFIX與SIMOTION之間的數據通信。IFIX作為OPC通信的客戶端，SIMATIC NET 又作為OPC通信的服務器，而 SIMOTION 通過自身生成的標準的 OPC 文件與IFIX的I/O驅動器進行連接，實現數據通信。

空冷島動態參數監測系統的數據傳輸框圖如圖3所示。首先，測量裝置將現場的溫度值，風速值的信號經過PROFIBUS DP總線傳輸給SIMOTION D控制器，同時把電機目前的狀態發送給SIMOTION D控制器。控制器SIMOTION D在收到這些信號后，把信號發送給SIMATIC NET上。然后，由SIMATIC NET通過OPC技術將數據發送給IFIX的I/O驅動器，I/O驅動器把信號發送到過程數據庫中。最后，過程數據庫把數據傳輸到監測畫面。

圖3 數據傳輸框圖

4.2 監測畫面

上位機監控軟件選取GE公司的 Proficy HMI/SCADA-IFIX中文版軟件。利用 IFIX 組態軟件實時監控和管理空冷島的運行狀態，同時組建空冷島動態參數的系統結構。IFIX的編輯畫面有很多功能，可以滿足用戶編輯圖形、腳本、使用其他程序的有效控件[5-6]。根據需求制作了空冷島動態參數監控系統的監控畫面。畫面主要有三個，分別為移動監測裝置位置畫面、空冷島風速畫面和溫度畫面。用戶也可以通過屏幕切換按鈕來進一步了解任一屏幕的具體情況。

移動監測裝置位置畫面如圖4所示。畫面清晰顯示移動監測裝置的位置，操作員也可以通過這個人機接口控制裝置的上下、左右移動，使之到達期望測點，以此來對空冷單元測點處的動態參數進行精準的測量。圖4中：●表示空冷島的壁溫和出口風速測點；○表示空冷島的出口溫度和風速測點。

圖4 移動監測裝置位置畫面

5 結束語

空冷島動態參數監控系統使用IFIX作為上位機的組態軟件，使監控系統具有豐富的實時監控功能，為用戶提供了一個安全可靠、運行穩定、使用方便的操作平臺[7-12]。系統對全面準確把握空冷系統的運行狀態、深入分析空冷凝汽器的換熱效果、提高電廠的安全經濟運行和管理水平具有重要意義。系統具有以下特點。

①采用移動監測的方式實現了空冷島動態參數的監測，移動監測裝置安裝在空冷島上，設備安裝簡單。

②監測系統實現對現場數據的釆集、處理和監控，基本滿足了整個系統的監控要求，提高了電廠生產自動化程度，為空冷島設備的安全監視、及時處理故障，以及保證生產提供了重要安全保障。