一種大型鋼結構間接空冷塔智慧運行解決方案研究

李寧 余喆

摘 要：空冷系統是智慧電廠的重要組成部分，對安全經濟運行、指標優化起到關鍵作用，并廣泛應用于燃機、光熱、電解制氫等業態?，F以在建電廠為依托，分析鋼結構空冷塔智慧運行模式，為提高大容量機組運行管理水平，降低運行成本，提高經濟效益提供解決方案。經智慧運行優化后，機組在相同負荷率下全年運行背壓可降低0.5 kPa以上，發電煤耗降低0.65 g/（kW·h），全廠熱效率和運行經濟性顯著提高。

關鍵詞：智慧運行;節能;減排

中圖分類號：TK39? 文獻標志碼：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

鋼結構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、高空作業人員少、回收殘值高等優點[1]，除煤電外還可應用于燃機、光熱、電解制氫等業態。目前世界上已建成的鋼結構冷卻塔大多采用單層網殼加剛性環的結構形式，少數采用雙層網殼結構形式[2]。新疆信友奇臺2×660 MW發電機組工程是我國首個應用鋼結構間接空冷塔的發電工程，隨后，山西鑫磊2×350 MW間冷“兩機一塔”項目也采用了鋼塔結構[3]。

國電雙維2×1 000 MW空冷超超臨界發電機組工程是世界首個應用鋼結構間接空冷塔的百萬機組電廠，間接空冷系統智能化運行是該電廠深度智慧企業建設的重要組成部分。

目前間接空冷系統的性能監測方案和控制方法存在著諸多需要改進完善的方面，主要包括：系統性能監測點少且缺乏冷卻空氣側的有效監測;間冷塔宏觀監測能力不足，導致系統防凍措施采取不及時，精細化控制優化能力不足等。這些因素導致間冷機組實際運行過程中全季節平均運行背壓偏高，機組經濟性差;在極端惡劣氣候條件下，機組安全運行存在冰凍風險。

大型鋼結構間接空冷塔智慧運行的目的是通過檢測間接空冷系統的每個冷卻三角管束的運行溫度，作為空冷系統優化及防凍的基礎數據。根據冷卻三角出口水溫不平衡的特點，自動調節百葉窗的開度，優化空冷運行。依據空冷溫度場檢測系統實現多點大面積的檢測特性，將空冷系統的自動調節由扇區調節細化到冷卻三角，最大限度地降低背壓，使供電煤耗下降，顯著提高空冷機組抵御不利環境影響的能力，提高機組運行的安全性。間接空冷塔智慧運行系統主要涵蓋溫度場監測控制系統和健康監測系統兩部分。

1? ? 溫度場監測控制系統

溫度場監測控制系統是在常規DCS控制系統的基礎上，匹配可整體呈現空冷系統溫度分布情況的陣列光柵傳感器，經調制解調后傳輸到監控平臺，同時邊緣計算服務器與DCS、空冷島監控平臺數據互通，對所有采集數據進行分析，經智能化算法通過DCS控制百葉窗執行機構、電動閥門等被控對象的系統。

溫度場監測控制系統對電廠節能減排具有以下重要作用：降低機組冬季安全運行背壓3 kPa，降低機組全年運行背壓0.5 kPa以上，保證安全運行的前提下，有效降低能耗;逐步積累風速對空冷背壓影響的歷史數據，智能調控各不同扇區的負荷，降低大風對空冷系統的影響;根據負荷情況，智能優化循泵運行方式，降低廠用電，并不斷自診斷、自優化;通過大數據分析，進行運行診斷、維護提醒，進一步提高機組運行經濟性;大幅降低巡檢人員的工作量;AI控制，定期更新，持續優化。

1.1? ? 系統架構

間冷控制系統通過DCS采集現場傳感數據以及執行機構狀態，在DCS內實現比較、順控、聯鎖等控制算法，輸出至空冷塔百葉窗、開關型閥門等完成控制。

在常規間冷DCS控制系統的基礎上，增設布置在散熱器上的光柵陣列傳感器（約10 000點），經過調制解調儀后將數據傳輸至空冷監控平臺，分送至DCS和邊緣計算服務器。邊緣計算服務器與DCS、空冷島監控平臺數據互通，可實現智能化監控。系統結構如圖1所示。

1.2? ? 溫度場結構

空冷散熱器溫度場采集是采用陣列光柵傳感新技術，將光纜大面積、大量敷設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柜內的陣列光柵解調儀進行解讀，轉換后的溫度數據上傳至監控平臺。溫度場結構如圖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冷卻水的進塔水溫、循環水流量、環境溫度、風速等，智能化控制基于外部特性數據和間冷實時運行數據，利用數據挖掘、模型預測、數字孿生、仿真、神經網絡等算法，實現其目的。

通過實時采集、計算模型計算出塔筒內外部的實時流場，并輸出各扇區風速與溫度到間接空冷塔的冷卻扇區模型中，而冷卻扇區預測子模型則進一步計算出扇區的溫度場，輸出扇區出水管的冷卻水溫度。同時基于大量的歷史數據，智能計算對動作策略進行趨勢強化學習，連續動作、不斷反饋，優化輸出參數。隨著系統學習的進行，每個反饋預測器參數的概率密度分布不斷被以能提高系統控制性能的參數更新，最終每個參數的概率密度分布將收斂到以最優值為中心分布?？绽鋶u監控平臺（提供空冷島狀態監測、控制、統計分析、智能算法調整等）人機交互界面如圖3所示。

1.4? ? 溫度監視

溫度監視采用在管束表面安裝光柵陣列傳感光纖+控制間內光柵陣列解調儀以及必要的交換機、服務器設備實現。光柵陣列傳感是利用光纖敏感材料和結構，基于時分、波分混合復用技術，將被測參量轉換為光纖中相應光信號，是真正集“傳”與“感”于一體的新一代傳感技術，可用于監測光纜沿線的溫度。

時分復用的作用是利用光學雷達（OTDR），把每個光柵定義一個時間代碼，對探測光纜中的光柵進行識別，并實現光柵的精準定位。光纜以散熱器組加勁板為固定依托進行布置，既能較好地感應散熱器冷卻水管的溫度，固定方式又穩固美觀。檢測的陣列傳感光纜從散熱三角的一側從下往上布設，到頂后從上往下布設到達底端，形成一個整體，中間沒有任何接點，在保證系統測溫要求的同時，也保障了系統的可靠性。

2? ? 健康監測系統

健康監測系統的總體設計思路：以運營安全為核心，以實用可靠為宗旨，以服務為目標。鋼塔主體結構健康監測系統包含監測子系統、數據采集傳輸子系統。監測子系統包括應變監測、溫度監測、風壓監測、環境氣象及塔頂風速監測、變形監測。

2.1? ? 應變監測

對結構關鍵部位的構件與節點，在施工全過程及使用階段的應變/應力情況進行監測，把握鋼結構應力情況，確保結構的安全性。

應變監測點布置在各層加強環、與加強環相連接的塔壁斜桿、加強環之間的環向桿件，取相鄰兩道加強環正中的一圈弦桿、錐面與直筒段連接處的環桿、展開平臺與塔體相連接處的環向桿、第一層斜桿等部位作為監測對象。

監測桿件應力的測點布置應能反映格構式構件各分肢的應力情況。桿件應變測點布置如圖4所示，共有12個監測截面，布置192個傳感器，采用光纖光柵應變傳感器進行監測。

2.2? ? 溫度監測

溫度監測主要監測不同部位溫度變化，可以根據熱力計算情況進行布置，沿環向布置測點，以監測太陽照射對結構構件溫度的影響。

溫度監測點位置與應變監測點相同，共布置52個傳感器。采用光纖光柵溫度傳感器進行監測。

2.3? ? 風壓監測

冷卻鋼塔屬于典型的三維薄壁空間結構，體積大，高度高，對風荷載極為敏感。目前對鋼塔塔身內外風壓的研究，多停留在理論研究及模型試驗階段，尚缺乏實際工程的監測數據。本項目通過沿塔周外壁及內壁布設風壓監測測點來進行監測，以取得風壓分布的第一手資料。

對風壓沿塔周的分布進行監測，沿塔周每30°布置1個測壓點，沿高度方向布置，以監測風壓沿高度方向的變化。

外表面風壓傳感器布置在頂層、第1層、第2層、第3層和第4層加強環部位;內風壓傳感器主要分布在塔身蒙皮內，布置在第1層、第2層、第3層和第4層加強環部位。

外表面風壓監測有5個監測截面，每個截面布置測點12個，共60個。內風壓有4個監測截面，每個截面布置測點12個，共48個。風壓傳感器一共有108個。測點布置如圖5所示。

2.4? ? 環境氣象及塔頂風速監測

考慮到冷卻鋼塔體積大，高度高，對風荷載以及環境溫度極為敏感，在地面安裝小型氣象站對環境溫度、風速和風向進行監測，作為百葉窗開啟的輸入條件，塔頂安裝超聲風速儀進行風速監測。

2.5? ? 變形監測

結構變形主要監測較大位置變形，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°，監測x、y、z三個方向位移。采用北斗監測系統，包含1個基準點，共有7個測點。

3? ? 結語

國電雙維2×1 000 MW空冷超超臨界發電機組工程目前已經基本實現數據化、信息化，在現有系統下電廠的安全、穩定、經濟性能已經最大化，智能化可以使系統運行更經濟、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，可降低機組冬季運行背壓3 kPa，可使機組在相同負荷率下全年運行背壓降低0.5 kPa以上，能有效降低能耗，降低大風對系統的影響，通過優化循泵運行方式，降低廠用電，一臺百萬機組可年節電約400萬kW·h;同時可以進行運行診斷、維護提醒等，直接為電廠生產創造相當可觀的經濟效益。

[參考文獻]

[1] 段常智，高磊.鋼結構間接空冷塔主體施工關鍵技術[J].鋼結構，2019，34（4）：101-106.

[2] 杜晶，張棟，陸灝.單層網殼與雙層網殼鋼結構冷卻塔結構分析及比較[J].鋼結構，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].北京交通大學學報，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，設計總工程師，從事大型發電廠工程機務設計工作。