塔式光熱發電無線儀表和無線網絡配置研究

李才永，胡立國，徐同社

(中國電建河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

塔式太陽能光熱電站太陽能收集鏡場面積巨大(2～10 km2)，鏡場沒有大型遮擋物、也沒有大功率電機等強電磁干擾源。太陽能收集鏡場儀表控制系統適合于應用無線儀表與無線網絡技術，可以節省大量控制電纜、信號電纜和通訊電纜使用量(一個光熱電站估計可以節省上千公里電纜)和相關安裝、調試工程量，縮短施工安裝工期，提高基建效率，還可以避免由電纜受機械損傷或嚙齒動物撕咬引起的設備故障。

1 主要檢測儀表配置

本文介紹的群塔式光熱電站工藝系統配置為：填充高純度石墨的吸熱蓄熱器布置在各太陽能吸熱蓄熱塔頂部，每個塔下布置若干面定日鏡，將陽光反射并匯聚到吸熱蓄熱器下方的開孔內部，加熱蓄熱介質石墨，石墨溫度最高溫度可達800℃。石墨中埋有給水和蒸汽管道，當需要蒸汽來發電時則向石墨塔中通入給水即可產生蒸汽供汽輪發電機發電使用。

該群塔式光熱電站的鏡場儀表均可以采用無線儀表或無線轉接方式和鏡場控制服務器連接。連入無線網絡的設備主要由以下幾個系統的儀控設備。

1.1 吸熱蓄熱介質溫度監視

塔式光熱電站的吸熱蓄熱介質必須運行在合理的溫度范圍內，溫度過低無法產生合適的溫度蒸汽供汽輪發電機發電用。溫度過高會影響系統安全運行，造成吸熱蓄熱介質破壞、熱交換管道損壞、儀控設備損壞等等。吸熱蓄熱介質溫度監視還應為蓄熱量計算提供輸入參數，根據蓄熱量計算結果確定光熱電站的運行模式。

(1)主要應設置以下溫度監視點：吸熱腔溫度監控；蓄熱介質溫度(溫度場)監視；蓄熱器產生的蒸汽溫度監視、調節。

(2)吸熱腔溫度監控是最為重要的測點，主要實現以下功能：測量太陽能輸入量；控制定日鏡運行，當吸熱腔溫度達到最高限值時(此時蓄熱器的蓄能已達到最大值)，應控制部分或全部定日鏡散焦(定日鏡反射光指向天空)，避免吸熱蓄熱介質超溫。此時若吸熱蓄熱介質正在產生蒸汽，應控制部分定日鏡散焦，使吸熱蓄熱介質輸入能量和輸出能量相同；若吸熱蓄熱介質不產生蒸汽，則應控制全部定日鏡散焦。

1.2 光熱電站氣象站

氣象站主要測量以下參數：太陽法向直射輻射量(Dsrect Normal Irradiance,DNI)；風速；風向；氣溫；濕度；降水量。

至少需要逐分鐘采集以上氣象數據。

1.3 吸熱蓄熱器蒸汽溫度控制儀表配置

吸熱蓄熱器內部的蓄熱介質溫度會在產生蒸汽過程中不斷下降(蓄熱介質的熱能轉移到蒸汽中)，蓄熱介質和給水的溫度差不斷減少，若需要保持恒定的蒸汽溫度則需要減少給水流量。吸熱蓄熱器蒸汽溫度是通過調節流過吸熱蓄熱器的給水流量來控制蒸汽溫度。為保證蒸汽溫度以滿足汽輪機進汽參數要求，給水流量應和蓄熱介質溫度成近似正比關系。

該系統主要配置以下儀表：給水溫度(熱電阻)；蒸汽溫度(熱電偶)；流量調節閥；給水壓力；蒸汽壓力。

1.4 定日鏡控制儀表配置

每面定日鏡配置一個就地控制器和兩臺高精度驅動馬達(可調步進電機)及其驅動模塊。驅動馬達采用48VDC供電，帶固態行程開關。就地控制器的功能也可以由鏡場中心服務器完成，定日鏡就地只配置馬達驅動模塊。這兩種配置方式影響控制系統網絡數據傳輸的類型和容量及控制邏輯運算負荷的分配，應在綜合比較投資和技術復雜性的基礎上確定。

2 無線儀表和無線網絡設備選型

塔式太陽能光熱電站定日鏡可根據就地監控設備的特點配置無線多組合信號轉接器(定日鏡不帶就地控制器)或無線HART、Modbus TCP/RTU轉接器(定日鏡帶就地控制器)。定日鏡的就地控制器主要完成定日鏡驅動電機位置指令計算，狀態監視，若定日鏡不帶就地控制器，則這些功能由鏡場控制服務器完成。定日鏡還可根據需要配置無線位置變送器，實時監控每面定日鏡的位置。

在每個太陽能吸熱蓄熱塔頂設無線多功能節點，與該吸熱蓄熱塔所屬的定日鏡、變送器等進行通訊。在動力島設置無線多功能節點和鏡場控制服務器連接。塔式太陽能光熱發電定日鏡的無線儀表設備及多功能節點的供電方式采用就地供電，因為定日鏡的驅動機構需要電源進行驅動，可以從驅動裝置電源處分接電源線對無線儀表進行供電，不需要考慮無線儀表內置電源的情況，由于采用有線電源供電，無線儀表設備可以根據實際情況來確定一些參數，比如設備的刷新頻率，天線增益(發射功率)等。無線儀表設備通過無線方式直接與無線多功能節點進行通訊，也可以在無線儀表設備之間進行路由通訊，最終實現數據的遠距離傳輸和與服務器上位監控系統的集成。

無線變送器支持最快1 s的數據刷新速度，也可以根據實際情況設定刷新速率比如5 s、10 s等。定日鏡的無線變送器刷新速率可以設定為1 s，實時采集每面定日鏡的角度位置，并獲得來自氣象觀測站通過太陽方位傳感器測得的太陽的高度角和方位角(或采用天文觀測的太陽方位修正后獲得實際的太陽的高度角和方位角)，將兩者數據進行對比，減少由于定日鏡長期運轉導致的誤差。安裝在吸熱蓄熱塔上的溫度無線變送器刷新頻率可以考慮設定較長的刷新時間，因為吸熱塔蓄熱介質的蓄熱能力較強的溫度變化所需時間比較長，而對于給水管道的流量變送器和水蒸氣出口管道上的溫度無線變送器應當設定為設備所支持的最大刷新頻率。室外安裝的無線變送器等無線設備防護等級應為IP66，以適應定日鏡高壓水沖洗的要求；對于危險區域(如使用導熱油、熔融鹽等危險介質的場合)，必須具有隔爆和本安危險認證。

根據環境的溫度對無線變送器以及多功能節點做好溫度防護，無線儀表設備的安裝位置應使其不受會聚光的照射。室外安裝的無線設備必須加裝浪涌保護器，浪涌保護器接地端子良好接地，做好防雷措施，避免感應雷損壞設備。考慮到吸熱塔也要做防雷措施，安裝避雷針，也可以設計避雷針的保護范圍覆蓋該吸熱塔的全部定日鏡，這樣可以省去定日鏡單個節點都做防雷措施。

3 無線儀表設備主要類型

(1)無線壓力變送器：包括表壓，絕壓，精度為±0.075%。可以應用于各種管道壓力實時過程數據采集。壓力變送器主要應用于吸熱蓄熱塔的給水壓力和蒸汽壓力等的測量。

(2)無線溫度變送器：實施采集和傳輸電廠內的各個溫度測點的過程數據。可以用于采集電廠各類管道、儲罐內介質溫度、金屬溫度檢測、室外汽水管道檢測等。溫度無線變送器主要應用于測量吸熱蓄熱塔出口蒸汽的溫度和吸熱塔吸熱蓄熱介質溫度、鐵塔金屬溫度等數據的采集傳輸。

(3)無線差壓/流量變送器：實施采集和無線傳輸電廠內的差壓或流量數據，精度為±0.075%。主要用于吸熱蓄熱塔的給水和蒸汽流量、光熱電站廠區補水流量等參數的測量。

(4)無線多功能組合轉接器：實時采集和無線轉接電廠內的有線信號，包括AI(4～20 mA，1～5 V，0～5 V)、TC、DI、DO，可以靈活組合各類信號類型。適用于閥位、溫度、定日鏡方位等和各類開關量的測量、非關鍵系統的閥門、電磁閥、定日鏡驅動電動機控制。

(5)無線HART轉接器：采集和無線轉換傳輸電廠內有線HART信號。適用于帶HART接口的定日鏡就地控制器、變送器、閥門執行機構等儀表控制設備的無線信號轉接。

(6)無線Modbus TCP/RTU轉換器：采集和無線轉換傳輸電廠內的有線Modbus TCP/RTU信號。適用于帶Modbus TCP/RTU接口的定日鏡就地控制器、氣象站系統等儀表控制設備的無線信號轉接。

(7)無線閥位變送器：采集手動閥門、電動閥門、氣動閥門、安全閥等的實時閥位和開度。

(8)無線多功能節點：支持構建無線主干網，支持WiFi無線設備、Ethernet設備、ISA-100.11a無線變送器等設備的訪問。無線多功能節點主要用于構建無線主干網，同時每個無線多功能節點可以充當無線網關的角色，用于鏡場無線網絡系統和光熱電站動力島的有線控制網絡的鏈接和協議轉換。

(9)手持設備：能夠通過WiFi、藍牙或者其它的無線技術實現對現場設備的軟件升級，固件更新或者是設備的加入和授權，同時可以檢測現場設備運行狀態。手持設備可以支持光熱電站各類儀表、控制設備的組態調試和診斷維護。

4 無線管理平臺

無線管理平臺是基于Web頁面的現場無線設備管理平臺，內置防火墻，管理無線網絡和所有的無線儀表。

無線管理平臺需實現以下功能：

(1)無線網絡的通訊診斷：用來管理和診斷無線網絡中設備的無線通訊情況，能實現圖形功能界面來監視無線電通訊狀態、無線拓撲結構，并且當現場無線變送器或多功能節點出現故障的時候能夠偵測出故障設備的位置或者是編號等，便于維修和更換。

(2)支持對無線變送器的遠程在線組態、校準和維護。

(3)統一管理無線網絡的安全。

(4)無線管理平臺可以很容易的實現訪問，比如通過PC機或者是手持設備等。

無線管理平臺可以部署在太陽能光熱發電站動力島的DCS控制系統的服務器中，或采用專用的無線管理平臺。