智慧環(huán)保系統(tǒng)在真空熱管低溫省煤器中的應用

尹 曉，張 躍，謝慶亮，楊 增，付康康，馬艷明

（1.國能南寧發(fā)電有限公司，廣西南寧 530313；2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖 364002）

0 引言

2014 年以來，我國燃煤電廠開始全面推行超低排放，燃煤鍋爐煙氣污染物排放得到有效控制且下降趨勢明顯。作為超低排放工藝系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)低溫省煤器磨損、泄漏的問題日益凸顯，并成為制約低低溫電除塵器性能的重要因素，節(jié)能、降碳工藝系統(tǒng)的長治久安已成為當前我國燃煤電廠技改新的重點工作之一。真空熱管的低低溫高效燃煤煙氣處理系統(tǒng)，具有零泄漏、穩(wěn)定提高電除塵效率、煙氣余熱回收利用及協(xié)同捕集硫化物等突出的節(jié)能環(huán)保屬性，成為當前“雙碳”政策下燃煤電廠實施節(jié)能環(huán)保二次改造的首選工藝之一。2021 年，為積極應對全球氣候變化，中國碳達峰、碳中和也已被納入“十四五”規(guī)劃和2035 年遠景目標。在2022 年，由生態(tài)環(huán)境部等15 部門聯(lián)合印發(fā)《深入打好重污染天氣消除、臭氧污染防治和柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案》提出，到2025 年全國重度及以上污染天氣基本消除。在如此密集的政策推動下，如何確保設備節(jié)能、穩(wěn)定運行已經(jīng)成為我國燃煤電廠踐行低碳行動的重要一環(huán)。

隨著智能控制在工業(yè)領域中的推廣和應用，設備數(shù)字化、智能化、人機交互，已成為火電行業(yè)發(fā)展的新趨勢。對于燃煤電廠而言，低低溫高效燃煤煙氣處理系統(tǒng)中的低溫省煤器在運行過程中可能引發(fā)的設備故障、換熱性能下降是一個長期而緩慢過程，依靠傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法做到實時判斷、提前預警。

先進的設備檢測技術和計算機功能，可以實現(xiàn)對低溫省煤器設備運行情況進行實時跟蹤，以各種形式的反饋信號對設備運行情況進行分析、預警。目前，基于智能化控制的智慧環(huán)保系統(tǒng)可以將計算機終端采集到的實時運行數(shù)據(jù)與歷年歸檔數(shù)據(jù)進行多角度、全方位的對比分析，當智能系統(tǒng)判斷出設備當前運行狀態(tài)參數(shù)超出期望值預設的閾值時，將及時發(fā)出設備故障預警信號。根據(jù)實際運用需求情況，故障預警信號可以通過多種通信形式傳達到監(jiān)管者，如短信或微信。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障預警時，監(jiān)管者可以根據(jù)相關預警信號及時調(diào)整設備的運行工況、提前避開風險區(qū)，同時對可能受到波及的上下游設備進行“風險規(guī)避”操作。后勤部門也可以根據(jù)智慧環(huán)保系統(tǒng)提供的故障預警信號，及時補充故障處理所需的備品配件，以適時進行檢修或更換。蒙原、林偉鋒[1-2]等人已經(jīng)對燃煤電廠電除塵設備智慧監(jiān)測、安全管控等進行研究分析，提出應用SIS（Supervisory Information System，火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)）、PI（Plant Information）數(shù)據(jù)庫、人工智能等手段實現(xiàn)其智能化安全穩(wěn)定運維。本文將主要針對智慧環(huán)保系統(tǒng)在真空熱管低溫省煤系統(tǒng)中的應用，進行介紹、分析。

1 真空熱管低溫省煤系統(tǒng)

傳統(tǒng)燃煤鍋爐的低溫省煤器多以“管殼式對流換熱”為特征的翅片管換熱器為主，同時由于其穩(wěn)定提高電除塵效率的特性，多數(shù)低溫省煤器均設置在除塵設備的入口端，使得低溫省煤器設備常年處在高速含塵煙氣中，換熱器磨損嚴重，最終導致冷卻水泄漏。據(jù)不完全統(tǒng)計，傳統(tǒng)低溫省煤器在運行2～3 年后均出現(xiàn)了不同程度的換熱管泄漏，進而導致煙風系統(tǒng)堵塞、鍋爐機組阻力大幅增加和電除塵積灰板結等安全問題。這些問題已經(jīng)成為國內(nèi)燃煤機組的普遍難題，也是燃煤鍋爐運維過程中的一大痛點問題。為解決這些問題，市場上出現(xiàn)了一種新的LVE 型“零泄漏”真空熱管低溫省煤器，并在660 MW 大型燃煤機組獲得成功應用[3]。

原論上，真空熱管低溫省煤器主要應用基于軸流式兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）工作原理的三段式真空熱管換熱器：第一段為蒸發(fā)段，主要是利用熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變吸收煙氣中的熱量，并傳遞給冷凝段的冷卻水，實現(xiàn)煙氣余熱回收；第二段為冷凝段，主要是將熱管內(nèi)部工質(zhì)吸收的熱量傳遞給冷卻水；第三段為儲氣段，針對真空熱管的固有特性，在真空熱管的頂部再設置一段儲氣室，主要用于儲存熱管內(nèi)部空腔中鋼—水反應生成的不凝性氣體，從而降低不凝性氣體對熱管換熱性能的影響（圖1）。

圖1 三段式真空熱管低溫省煤器技術原理

2 真空熱管低溫省煤器配套的智慧環(huán)保系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集

通過SIS PI 實時數(shù)據(jù)獲取真空熱管低溫省煤器運行參數(shù)，主要包括設備的吹灰頻率、進出口煙溫、進出口水溫、進出口壓差、循環(huán)水流量等，并以機組DCS時鐘為基準，或以GPS 時鐘對時，將采集的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)VPDN（Virtual Private Dialup Networks，虛擬私有撥號網(wǎng)絡）遠程傳輸至云平臺。

2.2 模型建立

設備運行數(shù)據(jù)經(jīng)過采集后，需要運用神經(jīng)網(wǎng)絡等算法，對設備正常運行狀態(tài)下的參數(shù)進行自我學習、訓練，建立真空熱管低溫省煤器運行最優(yōu)參數(shù)模型。同時考慮到設備在不同運行工況下的差異，隨著運行時間的推移，設備老化，以及設備在極端工況下的運行特性等因素，需要在模型中加入機械劣化模型、過負載模型等計算模型，以強化模型的適應性和準確性。經(jīng)過一定時間的自我學習、訓練，完善形成真空熱管低溫省煤器最優(yōu)運行模型，并能夠在設備運行過程中存在潛在風險時進行提前預測警示，當設備發(fā)生故障時及時發(fā)出報警信號，并形成故障記錄存檔。

2.3 數(shù)據(jù)分析管理

根據(jù)真空熱管低溫省煤器不同的運行場景，制定相應的控制策略、設置預警閾值，使設備運行在最佳狀態(tài)，并建立設備全流程生命周期管理。

由于省煤器換熱模塊的蒸發(fā)段處于高濃度粉塵的煙氣之中，磨損在所難免，并最終因局部磨損過度造成熱管內(nèi)部工質(zhì)外泄，導致該熱管失效。另外，真空熱管內(nèi)部，由于鋼—水化學反應也將產(chǎn)生不凝性氣體，隨著真空熱管內(nèi)部不凝性氣體的富集，也會降低熱管的換熱性能。通過智能化數(shù)據(jù)分析，對比真空熱管運行過程各參數(shù)的變化情況，建立模組熱管失效預警模型，并將歷史數(shù)據(jù)導入模型，經(jīng)過智能化系統(tǒng)學習，比對歷史記錄找出真空熱管換熱模組中熱管失效的特征值，指導運維人員對失效熱管或換熱性能下降的熱管及時進行再生處理。

最后，為了進一步提升真空熱管低溫省煤器的智能化預警功能，在運行過程中通過對真空熱管運行參數(shù)的實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)智能對比分析，以及系統(tǒng)接收紅外熱成像儀傳回的光電信號，實現(xiàn)對每根熱管性能優(yōu)劣的及時反饋，對特定工況下真空熱管低溫省煤器的運行、維護進行精確判斷，實現(xiàn)快速響應和指導熱管再生與修復，保證省煤器的長效傳熱性能。

3 案例分析

廣西國能某電廠真空熱管低溫省煤器改造項目，在2022 年11 月完成改造，其中配套了真空熱管低溫省煤器智慧環(huán)保運維方案，于當年12 月成功投運。

3.1 設備狀態(tài)信息監(jiān)測

真空熱管低溫省煤器智慧環(huán)保系統(tǒng)是基于真空熱管低溫省煤器工藝流程圖的實時數(shù)據(jù)和歷史曲線查詢，滿足了常規(guī)監(jiān)盤需求。除了實現(xiàn)常規(guī)設備監(jiān)測外，還以三維數(shù)字化的形式對設備狀態(tài)進行動態(tài)立體呈現(xiàn)，用不同顏色模擬設備溫度變化，再加上設備透視、拆分、旋轉等空間操作，形成更加直觀的信息感知，提高運維的便捷性（圖2）。

圖2 真空熱管低溫省煤器三維數(shù)字運維系統(tǒng)工作界面

3.2 大數(shù)據(jù)運維診斷

通過異常檢測算法自動分析、總結引發(fā)故障或性能下降的特性規(guī)律，準確識別如出口水溫波動或大偏置、出入口煙溫過高過低、煙道差壓異常等征兆，并通過換熱機理和數(shù)據(jù)分析融合方案，判定設備換熱效率是否下降以及下降程度，進而結合專家知識庫定位系統(tǒng)故障原因、指導修復（圖3）。

圖3 智慧環(huán)保系統(tǒng)異常診斷及維護

3.3 應用成效

應用于真空熱管低溫省煤器的智慧環(huán)保系統(tǒng)是一套數(shù)據(jù)驅(qū)動的運維方案，其能力和成效將隨著后續(xù)設備運行數(shù)據(jù)的增長而提升。目前，基于異常征兆的精準識別和提前處理，可以避免相當大一部分的運行故障，降低維護成本。其實現(xiàn)的成果主要有：按照月均減少投入運維成本5 萬元計，12 個月共計減少60 萬元；多維度的信息呈現(xiàn)有效降低運行人員監(jiān)盤投入時長，減少人力成本30 萬元；加上專家級的換熱效率評估和診斷分析，提升了故障處理效率和設備可用時長，預估可延長設備使用年限3 年以上，內(nèi)置智慧環(huán)保系統(tǒng)的真空熱管低溫省煤器使用壽命預計可超過8 年以上，產(chǎn)生年平均正向收益200 萬元。從以上分析可以看出，內(nèi)置智慧環(huán)保系統(tǒng)的真空熱管低溫省煤器每年實現(xiàn)經(jīng)濟效益可達290 萬元，且降碳效果良好。

4 結束語

隨著人力成本的增加，越來越多工業(yè)應用場景采用智能無人化值守系統(tǒng)，傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的智慧環(huán)保就是一個很好的切入點，包括真空熱管低溫省煤器智慧環(huán)保系統(tǒng)。無人值守系統(tǒng)是基于智慧安全、智慧運行、智慧檢修三大應用體系組成的超融合一體化環(huán)保側智慧方案，通過無人化、智慧化運營來減少火力發(fā)電廠環(huán)保設施在調(diào)控、檢修層面對人力的依賴，實現(xiàn)了從實時多人值守向少人值守，甚至無人值守的轉化。

智慧環(huán)保系統(tǒng)依托人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術手段，深入挖掘環(huán)保設備運行數(shù)據(jù)特性和潛在規(guī)律，融合行業(yè)專家知識體系，形成工業(yè)級智慧控制和設備智慧運維方案，解決設備能耗物耗高、運維難度大、排放不穩(wěn)定、人工介入耗時費力等痛點問題，并通過持續(xù)節(jié)能降耗減少碳排放強度，促進國家碳達峰、碳中和的“3060 目標”達成。

真空熱管低溫省煤器技術適用于燃煤電廠冷卻水零泄漏的煙氣余熱利用換熱裝置，替代原有傳統(tǒng)管殼式換熱裝置，在實現(xiàn)高效換熱的同時，提升傳統(tǒng)省煤器的使用壽命和運行安全性。其與電除塵器有機組合，還可以高效、協(xié)同煙氣余熱回收和煙氣高效除塵。智慧環(huán)保系統(tǒng)不僅為低低溫高效燃煤煙氣處理系統(tǒng)提供一個更安全可靠的新型智能化技術升級措施，也將作為燃煤鍋爐智慧、節(jié)能、降碳技術升級的首選方案。