空冷岛动态参数监测系统设计

侯鹏飞，李林高，王 琦，白建云，印 江

(山西大学自动化系,山西 太原 030013)

0 引言

直接空冷机组具有节约水资源、建设周期短、占地面积小等优点，在北方地区得到了广泛的应用[1]。直接空冷机组的运行状态很大程度取决于周围环境，不同的温度、风速不仅影响机组运行的经济性和安全性，而且会造成停机事故。因此，对空冷岛空气侧出口温度和出口风速进行动态监测，对于研究空冷岛凝汽器换热、分析空冷岛空气侧的场分布、进行防冻和背压控制研究具有十分重要的实际意义。通过对现场空冷岛的温度场和风速场进行监测，工作人员可以了解空冷岛实时的状态，为直接空冷系统的运行调整提供数据依据，在出现问题时能够及时定位故障，便于处理。

直接空冷系统的规模过于庞大，换热面积大，温度分布存在差异，现有技术难以实现空冷凝汽器温度和风速的大规模监测[2]。为了解决这一问题，设计了一套实时移动的监测装置，用于测量空冷岛任意测点的温度和风速。选取IFIX组态软件开发空冷岛动态参数监测系统的监控画面。IFIX实时获取空冷岛的动态参数，将获得的数据存储并显示在监控画面上，使得整个监控过程可视化。现场工作人员能够轻易地通过监控系统发现并解决故障，确保整个空冷岛系统的稳定性和安全性，提高企业的生产效率。

1 空冷岛动态参数监测系统

本系统采用移动监测装置测量空冷岛空气侧出口温度和出口风速，通过在空冷岛的清洗装置上安装一套带有电机的移动装置，并在上面配置热线风速仪，测量空冷岛的温度和风速。移动监测装置监测现场的实时数据，并将数据通过PRFIBUS-DP总线传输到SIMOTION 控制器中。控制器通过PRFIBUS-DP 总线把数据传输给装有IFIX5.0组态软件的上位机系统。IFIX组态软件通过OPC技术读取现场空冷岛的风速和温度，并将这些数据存入自身的过程数据库中，通过监控画面来监测空冷岛的温度值和风速值。对每个测点的温度值设置上下限，在超过限制的情况下进行报警，以此监测和保障空冷岛的安全运行。同时，在监控画面上控制电机的上下左右移动，使监测装置能到达测点，并在监控画面上显示监测装置的位置。空冷岛动态参数监测系统如图1所示。

图1 空冷岛动态参数监测系统框图

2 空冷岛测点方案布置

空冷岛换热面积大，表面温度和风速分布不均，所设计的移动监测系统在空冷岛动态参数测量过程中，测点存在一定的时间差。为了保证测量数据的准确性，需要对测点进行优化布置[3]。

某电厂的300 MW循环流化床机组，整个空冷凝汽器共分为6列，每列分为4个冷却单元。其中：1#、3#、4#单元为空冷凝汽器的顺流区，2#单元为空冷凝汽器的逆流区。

通过对空冷岛的实际温度值和风速值进行密集式测量，即每个冷却单元竖向以及横向以1 m间距为采样点进行数据采集。数据分析表明，空冷岛底部靠近风机中心的区域空气流量大，其余位置空气流量相对较小。翅片管束上下部的空气流量分配也不均匀，下部空气流量过大，气流速度较大，而中部、上部空气流量相对不足，气流速度也较低。同时，在翅片管束底部空气温度分布也极不均匀，翅片管束中部附近位置气流速度较低，对应的翅片管束出口空气温度较高；上部气流速度则较高，对应管束出口空气温度较低。温度分布与速度分布情况相反，管束中间位置温度较高，两侧温度较低，在冬季容易出现局部冻结情况。因此，整个逆流区和顺流区的中下部是监测重点。流场计算表明，在顺流区和逆流区的上、下部区域布置壁温、风速测点，中部布置空气温度、风速测点使其能够覆盖到所有区域，达到监测的最佳效果。最终得出在空冷岛“A”字型结构两侧各布置五排测点测量风速和温度值最为合理。横向上，结合空冷岛测点布置原则和原有的布置方案，最终按顺流单元和逆流单元分别确定各冷却单元的测点布置。单元测点布置如图2所示。一个顺流单元的测点个数为21个，一个逆流单元的测点个数为25个。图2中：●表示壁温、风速测点；○表示空气温度、风速测点。

图2 单元测点布置图

3 硬件系统

3.1 SIMOTION D

空冷岛移动监测装置的控制器采用西门子新一代运动控制产品SIMOTION。SIMOTION D是基于SINAMICS S120驱动平台、结构紧凑、功能强大的运动控制统[4]。SIMOTION D作为系统控制器，实现对电机的快速精准控制，使移动监测装置在空冷岛Λ型架构上下和左右移动，以此对空冷单元测点处的动态参数进行测量。通过软件编程对伺服电机和三相异步交流电机分别进行控制，可实现机械装置在空冷单元斜面纵轴和水平方向上的自由移动，进而实现了对空冷岛上温度和风速的测量。

3.2 热线风速仪

空冷岛测量装置选用热线风速仪，测量空冷岛翅片管束温度、空气侧出口温度和出口风速的数据。其实现了一表多用，在缩短测量时间的同时，既减少了测量设备的投资，又降低了移动系统的载荷。热线风速仪是一种将流速信号转变为电信号的测量仪器，可以同时测量流速和测量温度。热线风速仪上的风速温度探头由两根热线单丝组成。一根用于测量温度，另一根用来测量风速。测量出口侧空气温度使用时，将探头伸入到翅片管束面的正上方，测量翅片管束壁温时则需要将探头插入翅片管束之间的空隙中，以得到准确的数据。

4 软件系统

4.1 数据传输

IFIX组态软件本身没有提供直接与 SIMOTION 通信的驱动器，控制器无法直接和IFIX组态软件通信。SIMOTION 的编程软件 SCOUT 可以将控制器中的变量表生成标准的 OPC 文件，被计算机上的SIMATIC NET软件所加载，而 SIMATIC NET 又提供了标准的OPC通信接口，可以通过OPC技术来实现IFIX与SIMOTION之间的数据通信。IFIX作为OPC通信的客户端，SIMATIC NET 又作为OPC通信的服务器，而 SIMOTION 通过自身生成的标准的 OPC 文件与IFIX的I/O驱动器进行连接，实现数据通信。

空冷岛动态参数监测系统的数据传输框图如图3所示。首先，测量装置将现场的温度值，风速值的信号经过PROFIBUS DP总线传输给SIMOTION D控制器，同时把电机目前的状态发送给SIMOTION D控制器。控制器SIMOTION D在收到这些信号后，把信号发送给SIMATIC NET上。然后，由SIMATIC NET通过OPC技术将数据发送给IFIX的I/O驱动器，I/O驱动器把信号发送到过程数据库中。最后，过程数据库把数据传输到监测画面。

图3 数据传输框图

4.2 监测画面

上位机监控软件选取GE公司的 Proficy HMI/SCADA-IFIX中文版软件。利用 IFIX 组态软件实时监控和管理空冷岛的运行状态，同时组建空冷岛动态参数的系统结构。IFIX的编辑画面有很多功能，可以满足用户编辑图形、脚本、使用其他程序的有效控件[5-6]。根据需求制作了空冷岛动态参数监控系统的监控画面。画面主要有三个，分别为移动监测装置位置画面、空冷岛风速画面和温度画面。用户也可以通过屏幕切换按钮来进一步了解任一屏幕的具体情况。

移动监测装置位置画面如图4所示。画面清晰显示移动监测装置的位置，操作员也可以通过这个人机接口控制装置的上下、左右移动，使之到达期望测点，以此来对空冷单元测点处的动态参数进行精准的测量。图4中：●表示空冷岛的壁温和出口风速测点；○表示空冷岛的出口温度和风速测点。

图4 移动监测装置位置画面

5 结束语

空冷岛动态参数监控系统使用IFIX作为上位机的组态软件，使监控系统具有丰富的实时监控功能，为用户提供了一个安全可靠、运行稳定、使用方便的操作平台[7-12]。系统对全面准确把握空冷系统的运行状态、深入分析空冷凝汽器的换热效果、提高电厂的安全经济运行和管理水平具有重要意义。系统具有以下特点。

①采用移动监测的方式实现了空冷岛动态参数的监测，移动监测装置安装在空冷岛上，设备安装简单。

②监测系统实现对现场数据的釆集、处理和监控，基本满足了整个系统的监控要求，提高了电厂生产自动化程度，为空冷岛设备的安全监视、及时处理故障，以及保证生产提供了重要安全保障。