塔式光热发电无线仪表和无线网络配置研究

李才永，胡立国，徐同社

(中国电建河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031)

塔式太阳能光热电站太阳能收集镜场面积巨大(2～10 km2)，镜场没有大型遮挡物、也没有大功率电机等强电磁干扰源。太阳能收集镜场仪表控制系统适合于应用无线仪表与无线网络技术，可以节省大量控制电缆、信号电缆和通讯电缆使用量(一个光热电站估计可以节省上千公里电缆)和相关安装、调试工程量，缩短施工安装工期，提高基建效率，还可以避免由电缆受机械损伤或啮齿动物撕咬引起的设备故障。

1 主要检测仪表配置

本文介绍的群塔式光热电站工艺系统配置为：填充高纯度石墨的吸热蓄热器布置在各太阳能吸热蓄热塔顶部，每个塔下布置若干面定日镜，将阳光反射并汇聚到吸热蓄热器下方的开孔内部，加热蓄热介质石墨，石墨温度最高温度可达800℃。石墨中埋有给水和蒸汽管道，当需要蒸汽来发电时则向石墨塔中通入给水即可产生蒸汽供汽轮发电机发电使用。

该群塔式光热电站的镜场仪表均可以采用无线仪表或无线转接方式和镜场控制服务器连接。连入无线网络的设备主要由以下几个系统的仪控设备。

1.1 吸热蓄热介质温度监视

塔式光热电站的吸热蓄热介质必须运行在合理的温度范围内，温度过低无法产生合适的温度蒸汽供汽轮发电机发电用。温度过高会影响系统安全运行，造成吸热蓄热介质破坏、热交换管道损坏、仪控设备损坏等等。吸热蓄热介质温度监视还应为蓄热量计算提供输入参数，根据蓄热量计算结果确定光热电站的运行模式。

(1)主要应设置以下温度监视点：吸热腔温度监控；蓄热介质温度(温度场)监视；蓄热器产生的蒸汽温度监视、调节。

(2)吸热腔温度监控是最为重要的测点，主要实现以下功能：测量太阳能输入量；控制定日镜运行，当吸热腔温度达到最高限值时(此时蓄热器的蓄能已达到最大值)，应控制部分或全部定日镜散焦(定日镜反射光指向天空)，避免吸热蓄热介质超温。此时若吸热蓄热介质正在产生蒸汽，应控制部分定日镜散焦，使吸热蓄热介质输入能量和输出能量相同；若吸热蓄热介质不产生蒸汽，则应控制全部定日镜散焦。

1.2 光热电站气象站

气象站主要测量以下参数：太阳法向直射辐射量(Dsrect Normal Irradiance,DNI)；风速；风向；气温；湿度；降水量。

至少需要逐分钟采集以上气象数据。

1.3 吸热蓄热器蒸汽温度控制仪表配置

吸热蓄热器内部的蓄热介质温度会在产生蒸汽过程中不断下降(蓄热介质的热能转移到蒸汽中)，蓄热介质和给水的温度差不断减少，若需要保持恒定的蒸汽温度则需要减少给水流量。吸热蓄热器蒸汽温度是通过调节流过吸热蓄热器的给水流量来控制蒸汽温度。为保证蒸汽温度以满足汽轮机进汽参数要求，给水流量应和蓄热介质温度成近似正比关系。

该系统主要配置以下仪表：给水温度(热电阻)；蒸汽温度(热电偶)；流量调节阀；给水压力；蒸汽压力。

1.4 定日镜控制仪表配置

每面定日镜配置一个就地控制器和两台高精度驱动马达(可调步进电机)及其驱动模块。驱动马达采用48VDC供电，带固态行程开关。就地控制器的功能也可以由镜场中心服务器完成，定日镜就地只配置马达驱动模块。这两种配置方式影响控制系统网络数据传输的类型和容量及控制逻辑运算负荷的分配，应在综合比较投资和技术复杂性的基础上确定。

2 无线仪表和无线网络设备选型

塔式太阳能光热电站定日镜可根据就地监控设备的特点配置无线多组合信号转接器(定日镜不带就地控制器)或无线HART、Modbus TCP/RTU转接器(定日镜带就地控制器)。定日镜的就地控制器主要完成定日镜驱动电机位置指令计算，状态监视，若定日镜不带就地控制器，则这些功能由镜场控制服务器完成。定日镜还可根据需要配置无线位置变送器，实时监控每面定日镜的位置。

在每个太阳能吸热蓄热塔顶设无线多功能节点，与该吸热蓄热塔所属的定日镜、变送器等进行通讯。在动力岛设置无线多功能节点和镜场控制服务器连接。塔式太阳能光热发电定日镜的无线仪表设备及多功能节点的供电方式采用就地供电，因为定日镜的驱动机构需要电源进行驱动，可以从驱动装置电源处分接电源线对无线仪表进行供电，不需要考虑无线仪表内置电源的情况，由于采用有线电源供电，无线仪表设备可以根据实际情况来确定一些参数，比如设备的刷新频率，天线增益(发射功率)等。无线仪表设备通过无线方式直接与无线多功能节点进行通讯，也可以在无线仪表设备之间进行路由通讯，最终实现数据的远距离传输和与服务器上位监控系统的集成。

无线变送器支持最快1 s的数据刷新速度，也可以根据实际情况设定刷新速率比如5 s、10 s等。定日镜的无线变送器刷新速率可以设定为1 s，实时采集每面定日镜的角度位置，并获得来自气象观测站通过太阳方位传感器测得的太阳的高度角和方位角(或采用天文观测的太阳方位修正后获得实际的太阳的高度角和方位角)，将两者数据进行对比，减少由于定日镜长期运转导致的误差。安装在吸热蓄热塔上的温度无线变送器刷新频率可以考虑设定较长的刷新时间，因为吸热塔蓄热介质的蓄热能力较强的温度变化所需时间比较长，而对于给水管道的流量变送器和水蒸气出口管道上的温度无线变送器应当设定为设备所支持的最大刷新频率。室外安装的无线变送器等无线设备防护等级应为IP66，以适应定日镜高压水冲洗的要求；对于危险区域(如使用导热油、熔融盐等危险介质的场合)，必须具有隔爆和本安危险认证。

根据环境的温度对无线变送器以及多功能节点做好温度防护，无线仪表设备的安装位置应使其不受会聚光的照射。室外安装的无线设备必须加装浪涌保护器，浪涌保护器接地端子良好接地，做好防雷措施，避免感应雷损坏设备。考虑到吸热塔也要做防雷措施，安装避雷针，也可以设计避雷针的保护范围覆盖该吸热塔的全部定日镜，这样可以省去定日镜单个节点都做防雷措施。

3 无线仪表设备主要类型

(1)无线压力变送器：包括表压，绝压，精度为±0.075%。可以应用于各种管道压力实时过程数据采集。压力变送器主要应用于吸热蓄热塔的给水压力和蒸汽压力等的测量。

(2)无线温度变送器：实施采集和传输电厂内的各个温度测点的过程数据。可以用于采集电厂各类管道、储罐内介质温度、金属温度检测、室外汽水管道检测等。温度无线变送器主要应用于测量吸热蓄热塔出口蒸汽的温度和吸热塔吸热蓄热介质温度、铁塔金属温度等数据的采集传输。

(3)无线差压/流量变送器：实施采集和无线传输电厂内的差压或流量数据，精度为±0.075%。主要用于吸热蓄热塔的给水和蒸汽流量、光热电站厂区补水流量等参数的测量。

(4)无线多功能组合转接器：实时采集和无线转接电厂内的有线信号，包括AI(4～20 mA，1～5 V，0～5 V)、TC、DI、DO，可以灵活组合各类信号类型。适用于阀位、温度、定日镜方位等和各类开关量的测量、非关键系统的阀门、电磁阀、定日镜驱动电动机控制。

(5)无线HART转接器：采集和无线转换传输电厂内有线HART信号。适用于带HART接口的定日镜就地控制器、变送器、阀门执行机构等仪表控制设备的无线信号转接。

(6)无线Modbus TCP/RTU转换器：采集和无线转换传输电厂内的有线Modbus TCP/RTU信号。适用于带Modbus TCP/RTU接口的定日镜就地控制器、气象站系统等仪表控制设备的无线信号转接。

(7)无线阀位变送器：采集手动阀门、电动阀门、气动阀门、安全阀等的实时阀位和开度。

(8)无线多功能节点：支持构建无线主干网，支持WiFi无线设备、Ethernet设备、ISA-100.11a无线变送器等设备的访问。无线多功能节点主要用于构建无线主干网，同时每个无线多功能节点可以充当无线网关的角色，用于镜场无线网络系统和光热电站动力岛的有线控制网络的链接和协议转换。

(9)手持设备：能够通过WiFi、蓝牙或者其它的无线技术实现对现场设备的软件升级，固件更新或者是设备的加入和授权，同时可以检测现场设备运行状态。手持设备可以支持光热电站各类仪表、控制设备的组态调试和诊断维护。

4 无线管理平台

无线管理平台是基于Web页面的现场无线设备管理平台，内置防火墙，管理无线网络和所有的无线仪表。

无线管理平台需实现以下功能：

(1)无线网络的通讯诊断：用来管理和诊断无线网络中设备的无线通讯情况，能实现图形功能界面来监视无线电通讯状态、无线拓扑结构，并且当现场无线变送器或多功能节点出现故障的时候能够侦测出故障设备的位置或者是编号等，便于维修和更换。

(2)支持对无线变送器的远程在线组态、校准和维护。

(3)统一管理无线网络的安全。

(4)无线管理平台可以很容易的实现访问，比如通过PC机或者是手持设备等。

无线管理平台可以部署在太阳能光热发电站动力岛的DCS控制系统的服务器中，或采用专用的无线管理平台。