一种大型钢结构间接空冷塔智慧运行解决方案研究

李宁 余喆

摘 要：空冷系统是智慧电厂的重要组成部分，对安全经济运行、指标优化起到关键作用，并广泛应用于燃机、光热、电解制氢等业态。现以在建电厂为依托，分析钢结构空冷塔智慧运行模式，为提高大容量机组运行管理水平，降低运行成本，提高经济效益提供解决方案。经智慧运行优化后，机组在相同负荷率下全年运行背压可降低0.5 kPa以上，发电煤耗降低0.65 g/（kW·h），全厂热效率和运行经济性显著提高。

关键词：智慧运行;节能;减排

中图分类号：TK39  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0005-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.002

0    引言

钢结构间接空冷塔与混凝土冷却塔相比具有抗震性能好、建造成本低、施工周期短、高空作业人员少、回收残值高等优点[1]，除煤电外还可应用于燃机、光热、电解制氢等业态。目前世界上已建成的钢结构冷却塔大多采用单层网壳加刚性环的结构形式，少数采用双层网壳结构形式[2]。新疆信友奇台2×660 MW发电机组工程是我国首个应用钢结构间接空冷塔的发电工程，随后，山西鑫磊2×350 MW间冷“两机一塔”项目也采用了钢塔结构[3]。

国电双维2×1 000 MW空冷超超临界发电机组工程是世界首个应用钢结构间接空冷塔的百万机组电厂，间接空冷系统智能化运行是该电厂深度智慧企业建设的重要组成部分。

目前间接空冷系统的性能监测方案和控制方法存在着诸多需要改进完善的方面，主要包括：系统性能监测点少且缺乏冷却空气侧的有效监测;间冷塔宏观监测能力不足，导致系统防冻措施采取不及时，精细化控制优化能力不足等。这些因素导致间冷机组实际运行过程中全季节平均运行背压偏高，机组经济性差;在极端恶劣气候条件下，机组安全运行存在冰冻风险。

大型钢结构间接空冷塔智慧运行的目的是通过检测间接空冷系统的每个冷却三角管束的运行温度，作为空冷系统优化及防冻的基础数据。根据冷却三角出口水温不平衡的特点，自动调节百叶窗的开度，优化空冷运行。依据空冷温度场检测系统实现多点大面积的检测特性，将空冷系统的自动调节由扇区调节细化到冷却三角，最大限度地降低背压，使供电煤耗下降，显著提高空冷机组抵御不利环境影响的能力，提高机组运行的安全性。间接空冷塔智慧运行系统主要涵盖温度场监测控制系统和健康监测系统两部分。

1    温度場监测控制系统

温度场监测控制系统是在常规DCS控制系统的基础上，匹配可整体呈现空冷系统温度分布情况的阵列光栅传感器，经调制解调后传输到监控平台，同时边缘计算服务器与DCS、空冷岛监控平台数据互通，对所有采集数据进行分析，经智能化算法通过DCS控制百叶窗执行机构、电动阀门等被控对象的系统。

温度场监测控制系统对电厂节能减排具有以下重要作用：降低机组冬季安全运行背压3 kPa，降低机组全年运行背压0.5 kPa以上，保证安全运行的前提下，有效降低能耗;逐步积累风速对空冷背压影响的历史数据，智能调控各不同扇区的负荷，降低大风对空冷系统的影响;根据负荷情况，智能优化循泵运行方式，降低厂用电，并不断自诊断、自优化;通过大数据分析，进行运行诊断、维护提醒，进一步提高机组运行经济性;大幅降低巡检人员的工作量;AI控制，定期更新，持续优化。

1.1    系统架构

间冷控制系统通过DCS采集现场传感数据以及执行机构状态，在DCS内实现比较、顺控、联锁等控制算法，输出至空冷塔百叶窗、开关型阀门等完成控制。

在常规间冷DCS控制系统的基础上，增设布置在散热器上的光栅阵列传感器（约10 000点），经过调制解调仪后将数据传输至空冷监控平台，分送至DCS和边缘计算服务器。边缘计算服务器与DCS、空冷岛监控平台数据互通，可实现智能化监控。系统结构如图1所示。

1.2    温度场结构

空冷散热器温度场采集是采用阵列光栅传感新技术，将光缆大面积、大量敷设在间冷塔冷却三角表面，感温光栅将“温度”信号传输至电子间温度场机柜内的阵列光栅解调仪进行解读，转换后的温度数据上传至监控平台。温度场结构如图2所示。

1.3    智能化控制

间接空冷塔运行特性主要取决于循环冷却水的进塔水温、循环水流量、环境温度、风速等，智能化控制基于外部特性数据和间冷实时运行数据，利用数据挖掘、模型预测、数字孪生、仿真、神经网络等算法，实现其目的。

通过实时采集、计算模型计算出塔筒内外部的实时流场，并输出各扇区风速与温度到间接空冷塔的冷却扇区模型中，而冷却扇区预测子模型则进一步计算出扇区的温度场，输出扇区出水管的冷却水温度。同时基于大量的历史数据，智能计算对动作策略进行趋势强化学习，连续动作、不断反馈，优化输出参数。随着系统学习的进行，每个反馈预测器参数的概率密度分布不断被以能提高系统控制性能的参数更新，最终每个参数的概率密度分布将收敛到以最优值为中心分布。空冷岛监控平台（提供空冷岛状态监测、控制、统计分析、智能算法调整等）人机交互界面如图3所示。

1.4    温度监视

温度监视采用在管束表面安装光栅阵列传感光纤+控制间内光栅阵列解调仪以及必要的交换机、服务器设备实现。光栅阵列传感是利用光纤敏感材料和结构，基于时分、波分混合复用技术，将被测参量转换为光纤中相应光信号，是真正集“传”与“感”于一体的新一代传感技术，可用于监测光缆沿线的温度。

时分复用的作用是利用光学雷达（OTDR），把每个光栅定义一个时间代码，对探测光缆中的光栅进行识别，并实现光栅的精准定位。光缆以散热器组加劲板为固定依托进行布置，既能较好地感应散热器冷却水管的温度，固定方式又稳固美观。检测的阵列传感光缆从散热三角的一侧从下往上布设，到顶后从上往下布设到达底端，形成一个整体，中间没有任何接点，在保证系统测温要求的同时，也保障了系统的可靠性。

2    健康监测系统

健康监测系统的总体设计思路：以运营安全为核心，以实用可靠为宗旨，以服务为目标。钢塔主体结构健康监测系统包含监测子系统、数据采集传输子系统。监测子系统包括应变监测、温度监测、风压监测、环境气象及塔顶风速监测、变形监测。

2.1    应变监测

对结构关键部位的构件与节点，在施工全过程及使用阶段的应变/应力情况进行监测，把握钢结构应力情况，确保结构的安全性。

应变监测点布置在各层加强环、与加强环相连接的塔壁斜杆、加强环之间的环向杆件，取相邻两道加强环正中的一圈弦杆、锥面与直筒段连接处的环杆、展开平台与塔体相连接处的环向杆、第一层斜杆等部位作为监测对象。

监测杆件应力的测点布置应能反映格构式构件各分肢的应力情况。杆件应变测点布置如图4所示，共有12个监测截面，布置192个传感器，采用光纤光栅应变传感器进行监测。

2.2    温度监测

温度监测主要监测不同部位温度变化，可以根据热力计算情况进行布置，沿环向布置测点，以监测太阳照射对结构构件温度的影响。

温度监测点位置与应变监测点相同，共布置52个传感器。采用光纤光栅温度传感器进行监测。

2.3    风压监测

冷却钢塔属于典型的三维薄壁空间结构，体积大，高度高，对风荷载极为敏感。目前对钢塔塔身内外风压的研究，多停留在理论研究及模型试验阶段，尚缺乏实际工程的监测数据。本项目通过沿塔周外壁及内壁布设风压监测测点来进行监测，以取得风压分布的第一手资料。

对风压沿塔周的分布进行监测，沿塔周每30°布置1个测压点，沿高度方向布置，以监测风压沿高度方向的变化。

外表面风压传感器布置在顶层、第1层、第2层、第3层和第4层加强环部位;内风压传感器主要分布在塔身蒙皮内，布置在第1层、第2层、第3层和第4层加强环部位。

外表面风压监测有5个监测截面，每个截面布置测点12个，共60个。内风压有4个监测截面，每个截面布置测点12个，共48个。风压传感器一共有108个。测点布置如图5所示。

2.4    环境气象及塔顶风速监测

考虑到冷却钢塔体积大，高度高，对风荷载以及环境温度极为敏感，在地面安装小型气象站对环境温度、风速和风向進行监测，作为百叶窗开启的输入条件，塔顶安装超声风速仪进行风速监测。

2.5    变形监测

结构变形主要监测较大位置变形，塔体变形测点布置在塔顶截面，共布置6个测点，每个测点夹角为60°，监测x、y、z三个方向位移。采用北斗监测系统，包含1个基准点，共有7个测点。

3    结语

国电双维2×1 000 MW空冷超超临界发电机组工程目前已经基本实现数据化、信息化，在现有系统下电厂的安全、稳定、经济性能已经最大化，智能化可以使系统运行更经济、更高效。

本间接空冷塔智慧运行解决方案在安全运行的前提下，可降低机组冬季运行背压3 kPa，可使机组在相同负荷率下全年运行背压降低0.5 kPa以上，能有效降低能耗，降低大风对系统的影响，通过优化循泵运行方式，降低厂用电，一台百万机组可年节电约400万kW·h;同时可以进行运行诊断、维护提醒等，直接为电厂生产创造相当可观的经济效益。

[参考文献]

[1] 段常智，高磊.钢结构间接空冷塔主体施工关键技术[J].钢结构，2019，34（4）：101-106.

[2] 杜晶，张栋，陆灏.单层网壳与双层网壳钢结构冷却塔结构分析及比较[J].钢结构，2018，33（1）：78-82.

[3] 石磊，王锦，薛海君，等.钢塔对间冷散热器换热性能的影响[J].北京交通大学学报，2017，41（4）：70-76.

收稿日期：2022-04-19

作者简介：李宁（1974—），男，山东泰安人，高级工程师，设计总工程师，从事大型发电厂工程机务设计工作。