基于无线通信的空冷岛温度场监测系统

米 路，翟永杰，韩 超，张艳霞

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

直接空冷技术以其节约用水、占地面积少和运行灵活方便等诸多优点而广泛地应用于富煤缺水三北（华北、西北、东北）地区的火力发电厂中[1]。但该技术在国内电厂的运行过程中也遇到了很多问题，由于直接空冷散热器直接暴露在大气之中，冬季低负荷运行时蒸汽流量小，风机转速减小甚至停止运行，此时空冷平台上下流动场、温度场最容易发生不均匀现象，容易造成局部冻结，导致机组不能正常运行甚至停机事故[2]。

空冷系统的规模过于庞大，现有技术上难于实现大规模监测空冷散热器空气侧温度。传统的热电偶、热电阻测温技术在空冷岛现场安装困难，采购成本、安装成本和维护成本较高，且很难避免对原有流动场和温度场产生干扰，难以实现空冷岛整体的温度测量。目前国内外尚无完善的测温系统供空冷岛温度场监测使用。

无线测温技术具有安装简单、维护方便、测点占用面积小等特点，基于这些特点采用无线测温技术设计和开发了空冷岛温度场监测系统。

1 系统总体结构

本系统采用无线测温方式，测温传感器安装在空冷岛上，通过电磁波将温度信号传给接收仪，每台接收仪接收特定区域的所有传感器的信号。所有接收仪的通讯模块以并联方式连接到一根485总线上，该485总线的另一端连接到空冷间智能优化站，通过modbus通讯协议将所有接收仪的数据采集到智能优化站。智能优化站和集控室监测系统通过光纤连接，通过opc技术将所有温度数据传输到监测系统数据库中。监测系统服务器上安装基于B/S模式开发的空冷岛温度场在线监测软件，将所有温度数据直观明了的显示出来。系统总体结构如图1所示。

图1 空冷岛温度场监测系统总体结构Fig.1 The overall structure of cooling island temperature monitoring system

本系统采用前沿的ZigBee组网技术设计[3]，实现了温度远距离遥测。系统具有低功耗、等电位测量、数据无线传输、精度高、响应速度快、操作灵活、组网方便等优势[4]。

2 温度测点布置方案

2.1 理论依据

以某300 MW机组的空冷系统为例，整个空冷凝汽器共分为6列，每列分为5个冷却单元，图2为一列凝汽器单侧散热器的示意图，其中#1、#3、#5单元为顺流区，#2、#4单元为逆流区。直接空冷机组正常运行时，在汽轮机内做功后的蒸汽，经由汽轮机排汽管道进入直接空冷机组汽水系统，并由蒸汽分配管道向各列凝汽器配汽。饱和蒸汽先自上往下流过顺流区凝汽器管束，冷空气被风机自下往上吹入管束外侧的散热器，饱和蒸汽与冷空气进行热量交换，部分饱和蒸汽凝结为水直接流入管束下部的凝结水联箱[5]；顺流区未凝结的蒸汽经凝结水联箱的上部空间，进入逆流区凝汽器管束继续与冷空气换热凝结，凝结水汇集在凝结水联箱中，没有凝结的剩余蒸汽由抽真空系统抽出。

顺流区凝汽器管束内自上而下凝结水量逐渐增加，而蒸汽量逐渐减少；逆流区凝汽器管束内自下而上蒸汽量逐渐减少，空气量逐渐增加。凝结水量、蒸汽量、空气量的变化会使不同区域的温度产生巨大差异[6]。因此，空冷岛凝汽器管束表面温度的差异反映了空冷岛温度场热量分配的不均匀程度[7]，在进行测点位置布置时必须考虑此问题。

图2 一侧散热器测点布置示意图Fig.2 Diagram of the measuring point in one side of radiator

2.2 设计方案

顺流区温度分布较均匀，且温度普遍比逆流区高，所以顺流区不易冻结；在逆流区上部，接近蒸汽分配管道的逆流区顶端，风速因空气在散热器内的流通面积减少而增大，空气冷却能力增强，管束内部未凝气体较多，导致该区域温度较低，这部分区域最容易在低温环境下冻结[8]，为空冷岛温度场监测的最关键区域。基于空冷系统预防冻结角度，采用顺流区均匀稀疏布置测点，逆流区顶端密集布置测点的方案。以某300 MW机组直接空冷系统一列一侧的散热器为例，测点布置如图2所示。整台机组温度测点为：6×2×96=1 152个。

3 硬件系统

3.1 无线温度传感器

无线温度传感器是一体化结构，采用热缩外套封装，防水防尘，无线温度传感器的一个侧面是感温面，用于检测温度，安装时用金属卡件将传感器固定在凝汽器管束上，使感温面紧贴管束外壁。

无线温度传感器由温度传感器、测量电路、逻辑控制电路、无线收发电路和供电电路组成[9]，如图3所示。传感器将温度信号通过2.4G无线网络发送到无线式温度接收仪。

3.2 无线温度接收仪

无线温度接收仪由无线收发模块、单片微处理器、LCD显示单元以及485通讯模块几部分组成, 能够准确自动接收无线温度传感器传来的测温数据，经过分析处理，在LCD液晶屏上直接显示，一个无线温度接收仪最多可接收270个传感器的数据。

某300 MW机组空冷岛温度场监测系统共使用了7个接收仪，这7个接收仪安装在空冷岛一侧走廊的钢结构上，每个接收仪接收特定区域散热器上无线温度传感器的测温数据，这7个接收仪统一采用220 V交流供电，每个接收仪的485通讯模块以并联方式连接到一根485通讯线上，该485通讯线的另一端接到智能优化站。

图3 无线温度传感器功能结构图Fig.3 The functional block diagram of wireless temperature sensor

3.3 智能优化站和监测系统

智能优化站为分散控制系统中的现场控制单元形式，位于空冷电子间，通过modbus通讯协议采集接到485线上7个接收仪上的温度数据；监测系统采用戴尔T620服务器，位于集控室控制台。

4 软件系统

该系统下位机由测温箱中的7个无线温度接收仪组成，负责接收和采集现场数据；上位机由基于B/S模式的监测软件组成。

4.1 数据传输流程

传感器以无线方式将测温数据传给接收仪，所有接收仪的通讯模块以并联方式连接到一根485线上，该485线的另一端连接智能优化站，智能优化站通过modbus通讯协议将接收仪上的温度数据采集到优化站系统数据库中，同时通过OPC_server将温度数据向外界发送。集控室监测系统与优化站通过光纤连接，通过OPC_client将优化站OPC_server发送的数据采集到IH数据库中。监测软件安装在监测系统服务器上，调用IH数据库中的数据用来显示，从而实现温度场监测的目的。通讯流程图如图4所示。

4.2 B/S模式的体系结构

B/S（浏览器/服务器）模式是在传统的C/S（客户机/服务器）模式基础上发展起来的。基于B/S模式的结构将Web与数据库相结合,形成基于数据库的Web计算模式,并将该模型应用到Internet中,最终形成了3层客户机/服务器应用结构,3层结构将应用系统的3个功能层面进行了明确的分割,使其在逻辑上各自独立[10],其体系结构如图5所示。

图5 B/S模式的体系结构Fig.5 Architecture of B/S mode

图4 通讯流程图Fig.4 The chart of communication process

4.3 监测软件功能

集控室监测系统服务器上安装基于B/S模式搭建的空冷岛温度场监测软件，监测软件主要包括温度监测、温度异常报警、历史趋势查询3个功能，下面主要介绍温度监测功能。

温度监测主界面如图6所示，可以宏观显示空冷岛温度场分布情况，空冷岛上1 152个传感器用1 152个小矩形表示，小矩形的位置分布与现场传感器的位置分布一致。当实际温度变化时，小矩形将通过显示不同的颜色来表示实际温度所在区间，0℃以下显示为红色，0℃～5℃显示为浅绿色，5℃以上显示为深蓝色，区间分类方式可根据运行人员需要随时变更。将鼠标指针放在某一位置，滚动鼠标可将温度显示界面某一区域放大，单个测点的温度值会出现在小矩形框中，如图7所示。

图6 温度监测主界面Fig.6 The main interface of temperature monitoring

图7 监测界面单个测点温度值显示Fig.7 Single measuring point temperature display in the monitoring interface

图8 温度场三维分布Fig.8 Three-dimensional of the temperature field distribution

深入分析每台空冷风机上方散热器温度分布可点击对应风机符号进入温度场三维分布界面，系统以三维图的形式将温度场立体直观的展现出来，如图8所示。

在监测软件上可以设置每一温度测点的报警上、下限，当测点实际温度超出上、下限时监测界面右上角小铃铛会晃动并弹出报警信息，同时自动生成报表供日后查询；点击菜单栏上的“趋势图”选项，即可进入历史趋势查询模块，选择所要查询的温度点，并设置好起始时间、显示时间及时间间隔，所选温度点的历史趋势既以曲线形式显现。

5 结论

本文设计了基于无线通信的空冷岛温度场监测系统，该系统已在某300 MW直接空冷机组上成功应用。其目的是为运行人员在分析空冷散热器温度分布及冬季预防散热器冻结时提供数据依据，避免定期巡检，减轻运行人员负担。系统具有以下特点：

1）采用无线测温方式解决了空冷岛温度场无法实时在线监测的问题：传感器安装在空冷岛上，与接收设备之间通过无线方式进行信号传输，无需铺设电缆，设备安装简单；同时，无线方式不会对原有流场和温度分布产生影响。

2）系统可采集空冷散热器温度数据，覆盖空冷系统所有散热面积，为空冷系统预警、运行调整、防冻、节能提供数据依据。

3）运行人员可通过基于B/S模式开发的监测软件及时关注空冷岛温度场的变化，冬季根据局部温度异常报警及时对空冷岛散热器做相应的防冻保护处理，保障了机组的安全运行。

[1]赵旺初.空冷电厂的发展[J].西北电力技术,1997,6(3):55-65.

[2]田亚钊,晋杰.600MW直接空冷机组冬季运行防冻要求[J].电力建设,2006,27(2):4-10.

[3]刘晓宁.ZigBee无线传感器网络在监控系统中的研究与应用［D］.济南:济南大学,2007.

[4]孙延明,刘志远,蔡春丽,等.低功耗无线传感器网络节点的设计[J].微计算机应用,2009,30(2): 21-26.

[5]王佩璋.我国大型火电直接空冷技术的特点[J].电力勘测设计,2004,02:35-38.

[6]陈韬.直接空冷系统［J］.电力及能源,2011,29:122-124.

[7]Wang C C, Chi K Y, Chang C J. Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers，part II: Correlation [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2000,43(15): 2693-2700.

[8]J.R. Bredell, D.G. Kroger, G.D. Thiart. Numerical investigation of fan performance in a forced draft air-cooled steam condenser[J].Applied Thermal Engineering, 2006,26: 846–852.

[9]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:235-240.

[10]赵宏伟,秦昌明. 基于B/S 3层体系结构的软件设计方法研究[J].实验室研究与探索,2011,07:64-66.