燃煤火電廠設(shè)備可靠性與安全保障技術(shù)研究

葉林浩，王 冠，胡智頻，羅立權(quán)，趙俊杰

（1.國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波 315800；2.國家能源投資集團有限責(zé)任公司，北京 100034）

隨著能源電力保供和全國統(tǒng)一電力市場交易常態(tài)化，對煤電機組的運行可靠性、兜底支撐調(diào)節(jié)作用提出了更高的要求[1-3]。國家和地方發(fā)改委、能源局均要求煤電企業(yè)加強設(shè)備運行維護和管理，減少機組出力受阻，確保機組穩(wěn)發(fā)穩(wěn)供，并對非停、檢修超期、出力受阻嚴(yán)重的煤電機組加大考核力度[2-4]?；痣姀S發(fā)電量和收益逐漸由計劃型向統(tǒng)一開放的電力中長期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)市場交易轉(zhuǎn)型，機組可靠性直接影響現(xiàn)貨競價得來的發(fā)電計劃履約完成[3-5]。由于機組非停、長時間非計劃降出力以處理輔機重大缺陷等，導(dǎo)致機組運行發(fā)電長期偏離計劃曲線，煤電企業(yè)面臨嚴(yán)重的考核和經(jīng)濟處罰[4-7]。利用數(shù)字化、人工智能等新技術(shù)，提高設(shè)備監(jiān)測能力，開展預(yù)測性維護和狀態(tài)檢修，將有助于提高煤電機組可靠性[6-8]。因此，有必要深入分析適用于燃煤火電廠的設(shè)備可靠性智能監(jiān)控和安全提升技術(shù)路線，促進煤電低碳、高效、靈活、安全、智能化發(fā)展，提升煤電機組的市場競爭力。

文章擬分析燃煤火電廠開展設(shè)備可靠性提升和安全管控的智能化技術(shù)，為企業(yè)參與能源保供和電力市場競價提供技術(shù)支撐和兜底保障。本研究有助于深入了解煤電企業(yè)提升設(shè)備運行可靠性的智能化、精益化管理技術(shù)，以促進生產(chǎn)經(jīng)營協(xié)同聯(lián)動創(chuàng)效，實現(xiàn)電廠整體提質(zhì)增效，提高交易能力、運營效率和盈利水平。

1 智能化檢測監(jiān)測

2021年年底國家能源集團煤電裝機容量為1.94億kW，占全國煤電總裝機的17.7 %。2020年煤電機組利用小時為4 447 h，2021年由于能源保供，煤電機組利用小時為4 972 h，大幅提升了525 h。面對能源保供壓力持續(xù)加大、機組運行時間更長、機組平均負(fù)荷率更大、檢修周期縮短等局面，對設(shè)備可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的設(shè)備檢修、維護模式以巡檢、點檢、大檢查、等級檢修為主，缺少智能主動發(fā)現(xiàn)、預(yù)測預(yù)警提醒等先進功能，導(dǎo)致工作人員工作量較大，同時設(shè)備隱患、缺陷、事故等仍然頻發(fā)，對煤電企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成了重大的風(fēng)險。適用于燃煤電廠設(shè)備保障的智能檢測監(jiān)測技術(shù)包括：

（1）參與一次調(diào)頻系統(tǒng)的快速響應(yīng)高精度頻率測量裝置。對于頻率信號采樣不滿足一次調(diào)頻需要的響應(yīng)迅速及高精度的要求的機組，一次調(diào)頻采樣裝置建立于高性能32位處理器平臺的快速變送裝置，用于采集一次系統(tǒng)頻率49.8～50.2 Hz 和精度0.2 %等級，且不受諧波的影響。PT 三相電壓采用傅立葉算法實時計算頻率，在20 ms 內(nèi)精確測量頻率，精度為千分之一。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)在線式防誤管理系統(tǒng)。利用微功耗無線通信技術(shù)，搭建實時通信網(wǎng)絡(luò)，采用較低的成本就能將原本離線式微機防誤系統(tǒng)改造成在線防誤綜合操作系統(tǒng)，解決現(xiàn)有離線五防系統(tǒng)的諸多問題，實現(xiàn)防誤主機與現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)的一致性及邏輯判斷的實時性。該技術(shù)通過數(shù)據(jù)實時共享，實時邏輯判斷，基于現(xiàn)場實時遙信的閉鎖邏輯判斷、拓?fù)溟]鎖邏輯分析等，提高了防誤系統(tǒng)判斷時效，減輕工作人員工作強度。

（3）直流系統(tǒng)特殊故障絕緣監(jiān)測。直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對交流串直流、直流平衡接地、蓄電池接地、直流環(huán)網(wǎng)等特殊故障無法反映，通過增加特殊監(jiān)測手段，提高發(fā)電可靠性。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測直流蓄電池接地，適用于無法監(jiān)測特殊故障的直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，防止直流系統(tǒng)受到交流串入影響設(shè)備誤動和拒動。

（4）北斗對時系統(tǒng)改造。北斗二代對時系統(tǒng)以北斗為主，GPS 為輔，精確度高。加裝北斗二代對時系統(tǒng)后，可防止國外系統(tǒng)崩潰或故意誤導(dǎo)。采用雙重化時鐘源設(shè)計，即兩套對時系統(tǒng)，主、輔時鐘柜均有GPS 和CBD 雙信號源，對全廠電氣、熱工、調(diào)度自動化設(shè)備對時。

（5）給煤機控制回路優(yōu)化改造。改造方法包括3個部分。將給煤機變頻器轉(zhuǎn)速控制指令4～20 mA 擴展，并傳輸?shù)紻CS 控制。將給煤機驅(qū)動機的電流信號傳輸?shù)紻CS 監(jiān)控。將變頻器更換為IP66高防護等級變頻器，防止灰塵和潮氣侵入變頻器電子板件造成各種不可預(yù)知的故障跳閘。改造的目的是將給煤機控制系統(tǒng)中不可監(jiān)控的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可監(jiān)控的狀態(tài)，便于給煤機故障分析。

（6）鍋爐四管泄漏監(jiān)測與預(yù)防性治理技術(shù)。采用電站鍋爐受熱面壁溫在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時顯示高溫管組爐內(nèi)汽溫、壁溫、爐膛出口煙溫差受熱面積灰、結(jié)渣情況、煙氣側(cè)吸熱偏差曲線，實現(xiàn)高溫管組各管段壽命管理和壁溫異常篩查。最先進的四管泄漏技術(shù)監(jiān)督匯總鍋爐四管的規(guī)格、材質(zhì)、工況條件和無損檢測結(jié)果等多參數(shù)。附帶專家診斷系統(tǒng)，不僅可全面監(jiān)測鍋爐四管的高溫腐蝕、磨損、蠕變、超溫、氧化皮累積等，還能評估出剩余壽命，提前給出泄漏預(yù)警，有效輔助設(shè)備管理人員提前合理安排檢修工期，防止機組突然非停。

2 智能化控制保護

（1）直流雙路無擾切換電源技術(shù)。針對機組正常運行時，采用電子二極管隔離的熱工DCS（ETS、MFT）兩路直流電源（DC110、DC220）存在環(huán)并問題，當(dāng)發(fā)生直流負(fù)載接地時，會發(fā)生兩段直流母線接地報警。采用雙路輸入、逆變隔離、切換時間小于10 ms的直流雙路無擾切換電源，解決DC100、DC220 直流Ⅰ、Ⅱ段電源在熱工DCS 直流負(fù)荷側(cè)環(huán)并問題，保證兩路熱工電源無擾切換。該技術(shù)適用于機組采用電子二極管隔離的熱工DCS 的直流電源改造。機組正常運行時，保證DC110、DC220直流系統(tǒng)Ⅲ段電源分列運行，無并環(huán)點。直流單段故障情況下，保證無擾切換。

（2）參與AGC、DEH 調(diào)節(jié)的發(fā)電機智能功率變送裝置應(yīng)用。傳統(tǒng)的功率波動會造成機組的不穩(wěn)定運行，發(fā)電機智能變送裝置，滿足暫態(tài)特性和變送器精度要求。能確保發(fā)電機功率自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和DCS可靠運行。該技術(shù)適用于有功功率信號送至DEH、AGC 等控制系統(tǒng)存在跳變及暫態(tài)下失真隱患的機組。每一臺發(fā)電機智能變送裝置分別接入兩組獨立發(fā)電機端電壓PT 繞組、一組保護級機端電流CT 繞組、一組測量級機端電流CT 繞組，雙電源供電，要確保送控制系統(tǒng)的有功功率信號可靠。

（3）中壓母線開關(guān)裝設(shè)快速滅弧裝置。中壓開關(guān)發(fā)生弧光短路時，靠過流、速斷、或零序保護切斷上級開關(guān)，弧光燃燒時間常大于100 ms，開關(guān)和母線燒損嚴(yán)重，修復(fù)工期長。國內(nèi)外已有光電元件監(jiān)測電弧的發(fā)生，加上電流判斷，可靠地主動將三相短路，降低弧光電壓，4 ms 內(nèi)快速熄滅電弧，觸發(fā)上級開關(guān)斷開，大幅降低弧光短路造成的設(shè)備損害速斷停電修復(fù)時間。該技術(shù)適用于新安裝和在用的中壓開關(guān)，可降低弧光短路損害程度，降低弧光燃燒產(chǎn)生的有害氣體，降低次生事故發(fā)生概率，縮短停電時間和修復(fù)工期。

（4）檢修作業(yè)安全隔離管理系統(tǒng)。對檢修設(shè)備周邊釋放能量（電、水、油、氣、汽等）的斷開位置加裝鎖具，并確保安全措施，需工作負(fù)責(zé)人和工作許可人雙方控制。該系統(tǒng)利用共鎖技術(shù)、階段性強制閉鎖理念，實現(xiàn)設(shè)備檢修作業(yè)時危險源的可靠閉鎖隔離管理以及解除隔離閉鎖時的防誤操作。多個工作任務(wù)涉及的同一安措設(shè)備，可采用一把智能鎖具閉鎖管理。每個工作任務(wù)的工作負(fù)責(zé)人，通過授權(quán)方式管控閉鎖設(shè)備的操作權(quán)限。

（5）發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)加裝精準(zhǔn)調(diào)整裝置。將發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)補水方式變更為凝結(jié)水精處理出口母管加氨點前、后兩路水，通過程控自動調(diào)節(jié)兩路補水比例進行水質(zhì)pH 調(diào)節(jié)，以提高內(nèi)冷卻水水質(zhì)。該技術(shù)適用于水-氫-氫冷卻發(fā)電機組，發(fā)電機定子繞組空心導(dǎo)線材質(zhì)為銅，凝結(jié)水精處理出口母管加氨運行。

（6）熱力系統(tǒng)加裝強磁除鐵裝置。采用強磁材料NdFeB 制作的強磁除鐵裝置，以除去火電廠凝結(jié)水、生產(chǎn)返回水等中的鐵磁性腐蝕雜質(zhì)，以凈化水質(zhì)。強磁除鐵裝置適用于凝結(jié)水、中高溫生產(chǎn)返回水和高加疏水、熱網(wǎng)疏水等處理，尤其適用于空冷機組，可有效縮短機組啟動時間，顯著降低排水量。

（7）鍋爐智能吹灰系統(tǒng)。根據(jù)灰的黏結(jié)性和受熱面積灰情況，計算出鍋爐四管清潔因子，據(jù)此優(yōu)化吹灰汽源、方式、時間、部位和頻次，實現(xiàn)按“需”吹灰。

3 設(shè)備性能升級

用于燃煤電廠設(shè)備可靠性性能提升的技術(shù)包括：

（1）廠用油開關(guān)更換改造。傳統(tǒng)的油開關(guān)切斷3次短路電流須換油，否則影響可靠性。將3～10 kV 油開關(guān)更換為真空開關(guān)，可提高開關(guān)長周期運行的可靠性。

（2）水冷壁噴涂高溫納米陶瓷涂層技術(shù)。采用新型納米涂層材料，結(jié)合超音速電弧噴涂工藝，有效抑制了硫、氯同時存在造成的水冷壁高溫腐蝕。該技術(shù)適用于治理鍋爐受熱面高溫腐蝕、沾污、結(jié)焦，吹灰器口吹損、管壁減薄等場景。

（3）對沖燃燒鍋爐貼壁風(fēng)技術(shù)。改善對沖旋流鍋爐側(cè)墻水冷壁貼壁附近的還原性氣氛，抑制水冷壁高溫腐蝕。

（4）蝦米曲線原煤斗。利用蝦米曲線顆?？焖傧陆翟恚鉀Q原煤倉棚堵煤，以方便燃煤機組摻燒更多高水分、黏度高的低成本煤泥。

（5）空預(yù)器在線高壓水清洗技術(shù)。適用于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，沖洗介質(zhì)采用高壓頭溫水，流量小，覆蓋范圍大。

（6）防磨彎頭改造技術(shù)。將現(xiàn)有的彎頭改造為碳化硅耐磨彎頭，應(yīng)用于鍋爐制粉和輸灰系統(tǒng)。

（7）煙囪防腐改造。對于采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝、不設(shè)置GGH 加熱裝置、無煙氣旁路的火電機組，可在原有煙囪鋼制排煙內(nèi)筒表面焊裝1.6 mm厚度純鈦板防腐內(nèi)襯，內(nèi)煙道及導(dǎo)流板焊裝純鈦板，排煙內(nèi)筒、內(nèi)接煙道外表面進行防腐并采取保溫措施。

（8）中速磨煤機金屬陶瓷復(fù)合磨輥及磨盤。將預(yù)先鑄造好的與工件表面形狀相吻合的網(wǎng)格狀預(yù)制件固定在磨煤機磨輥或磨盤砂型的表面，將高鉻合金熔液澆鑄在砂型腔內(nèi)，冷卻成型，制備成金屬陶瓷復(fù)合磨輥及磨盤。該技術(shù)可解決磨煤機磨損嚴(yán)重，石子煤量大，中速磨制粉系統(tǒng)出力影響鍋爐出力，制粉電耗高等火電廠痛點。

4 結(jié)束語

本研究分析了燃煤電廠采用智能化手段提升對主要設(shè)備的檢測監(jiān)測和控制保護能力，增強了電廠長周期運行的可靠性和安全穩(wěn)定保障。

（1）提升設(shè)備可靠性的智能監(jiān)測技術(shù)包括：一次調(diào)頻系統(tǒng)高精度頻率測量裝置、無線防誤管理、直流系統(tǒng)故障絕緣監(jiān)測、基于雙重化時鐘源設(shè)計的北斗對時系統(tǒng)、給煤機控制回路優(yōu)化、鍋爐四管泄漏監(jiān)測等。

（2）提升設(shè)備安全保障能力的智能控制保護技術(shù)包括：直流雙路無擾切換電源，基于AGC、DEH 調(diào)節(jié)的發(fā)電機智能功率變送裝置、中壓母線開關(guān)裝設(shè)快速滅弧裝置、檢修作業(yè)安全隔離管理系統(tǒng)、發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)加裝精準(zhǔn)調(diào)整裝置、強磁除鐵裝置、鍋爐智能吹灰等。

（3）設(shè)備長周期運行可靠性能升級的技術(shù)包括：廠用油開關(guān)更換為真空開關(guān)、水冷壁噴涂納米涂層材料、鍋爐貼壁風(fēng)、蝦米煤斗、空預(yù)器在線高壓水清洗、碳化硅耐磨彎頭、煙囪防腐改造。