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(dāng)前我國燃煤電廠技改新的重點(diǎn)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(dāng)前“雙碳”政策下燃煤電廠實(shí)施節(jié)能環(huán)保二次改造的首選工藝之一。2021 年，為積極應(yīng)對全球氣候變化，中國碳達(dá)峰、碳中和也已被納入“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)。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(jiān)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(shè)備節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)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(lǐng)域中的推廣和應(yīng)用，設(shè)備數(shù)字化、智能化、人機(jī)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(yùn)行過程中可能引發(fā)的設(shè)備故障、換熱性能下降是一個(gè)長期而緩慢過程，依靠傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法做到實(shí)時(shí)判斷、提前預(yù)警。

先進(jìn)的設(shè)備檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)功能，可以實(shí)現(xiàn)對低溫省煤器設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以各種形式的反饋信號對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析、預(yù)警。目前，基于智能化控制的智慧環(huán)保系統(tǒng)可以將計(jì)算機(jī)終端采集到的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與歷年歸檔數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度、全方位的對比分析，當(dāng)智能系統(tǒng)判斷出設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)超出期望值預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，將及時(shí)發(fā)出設(shè)備故障預(yù)警信號。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用需求情況，故障預(yù)警信號可以通過多種通信形式傳達(dá)到監(jiān)管者，如短信或微信。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障預(yù)警時(shí)，監(jiān)管者可以根據(jù)相關(guān)預(yù)警信號及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行工況、提前避開風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，同時(shí)對可能受到波及的上下游設(shè)備進(jìn)行“風(fēng)險(xiǎn)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(yù)警信號，及時(shí)補(bǔ)充故障處理所需的備品配件，以適時(shí)進(jìn)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(shè)備智慧監(jiān)測、安全管控等進(jìn)行研究分析，提出應(yīng)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(shí)現(xiàn)其智能化安全穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)用，進(jìn)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(shí)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(shè)置在除塵設(shè)備的入口端，使得低溫省煤器設(shè)備常年處在高速含塵煙氣中，換熱器磨損嚴(yán)重，最終導(dǎo)致冷卻水泄漏。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)低溫省煤器在運(yùn)行2～3 年后均出現(xiàn)了不同程度的換熱管泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致煙風(fēng)系統(tǒng)堵塞、鍋爐機(jī)組阻力大幅增加和電除塵積灰板結(jié)等安全問題。這些問題已經(jīng)成為國內(nèi)燃煤機(jī)組的普遍難題，也是燃煤鍋爐運(yùn)維過程中的一大痛點(diǎn)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(jī)組獲得成功應(yīng)用[3]。

原論上，真空熱管低溫省煤器主要應(yīng)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(shí)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(shè)置一段儲氣室，主要用于儲存熱管內(nèi)部空腔中鋼—水反應(yīng)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(shù)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取真空熱管低溫省煤器運(yùn)行參數(shù)，主要包括設(shè)備的吹灰頻率、進(jìn)出口煙溫、進(jìn)出口水溫、進(jìn)出口壓差、循環(huán)水流量等，并以機(jī)組DCS時(shí)鐘為基準(zhǔn)，或以GPS 時(shí)鐘對時(shí)，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(luò)）遠(yuǎn)程傳輸至云平臺。

2.2 模型建立

設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過采集后，需要運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，對設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，建立真空熱管低溫省煤器運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)模型。同時(shí)考慮到設(shè)備在不同運(yùn)行工況下的差異，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，設(shè)備老化，以及設(shè)備在極端工況下的運(yùn)行特性等因素，需要在模型中加入機(jī)械劣化模型、過負(fù)載模型等計(jì)算模型，以強(qiáng)化模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過一定時(shí)間的自我學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，完善形成真空熱管低溫省煤器最優(yōu)運(yùn)行模型，并能夠在設(shè)備運(yùn)行過程中存在潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行提前預(yù)測警示，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)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(yùn)行場景，制定相應(yīng)的控制策略、設(shè)置預(yù)警閾值，使設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)，并建立設(shè)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(dǎo)致該熱管失效。另外，真空熱管內(nèi)部，由于鋼—水化學(xué)反應(yīng)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(yùn)行過程各參數(shù)的變化情況，建立模組熱管失效預(yù)警模型，并將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，經(jīng)過智能化系統(tǒng)學(xué)習(xí)，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(dǎo)運(yùn)維人員對失效熱管或換熱性能下降的熱管及時(shí)進(jìn)行再生處理。

最后，為了進(jìn)一步提升真空熱管低溫省煤器的智能化預(yù)警功能，在運(yùn)行過程中通過對真空熱管運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對每根熱管性能優(yōu)劣的及時(shí)反饋，對特定工況下真空熱管低溫省煤器的運(yùn)行、維護(hù)進(jìn)行精確判斷，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和指導(dǎo)熱管再生與修復(fù)，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(xiàng)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(yùn)維方案，于當(dāng)年12 月成功投運(yùn)。

3.1 設(shè)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備監(jiān)測外，還以三維數(shù)字化的形式對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)立體呈現(xiàn)，用不同顏色模擬設(shè)備溫度變化，再加上設(shè)備透視、拆分、旋轉(zhuǎn)等空間操作，形成更加直觀的信息感知，提高運(yùn)維的便捷性（圖2）。

圖2 真空熱管低溫省煤器三維數(shù)字運(yùn)維系統(tǒng)工作界面

3.2 大數(shù)據(jù)運(yùn)維診斷

通過異常檢測算法自動分析、總結(jié)引發(fā)故障或性能下降的特性規(guī)律，準(zhǔn)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(jī)理和數(shù)據(jù)分析融合方案，判定設(shè)備換熱效率是否下降以及下降程度，進(jìn)而結(jié)合專家知識庫定位系統(tǒng)故障原因、指導(dǎo)修復(fù)（圖3）。

圖3 智慧環(huán)保系統(tǒng)異常診斷及維護(hù)

3.3 應(yīng)用成效

應(yīng)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(yùn)維方案，其能力和成效將隨著后續(xù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的增長而提升。目前，基于異常征兆的精準(zhǔn)識別和提前處理，可以避免相當(dāng)大一部分的運(yùn)行故障，降低維護(hù)成本。其實(shí)現(xiàn)的成果主要有：按照月均減少投入運(yùn)維成本5 萬元計(jì)，12 個(gè)月共計(jì)減少60 萬元；多維度的信息呈現(xiàn)有效降低運(yùn)行人員監(jiān)盤投入時(shí)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(shè)備可用時(shí)長，預(yù)估可延長設(shè)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(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)290 萬元，且降碳效果良好。

4 結(jié)束語

隨著人力成本的增加，越來越多工業(yè)應(yīng)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(gè)很好的切入點(diǎn)，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(yùn)行、智慧檢修三大應(yīng)用體系組成的超融合一體化環(huán)保側(cè)智慧方案，通過無人化、智慧化運(yùn)營來減少火力發(fā)電廠環(huán)保設(shè)施在調(diào)控、檢修層面對人力的依賴，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)時(shí)多人值守向少人值守，甚至無人值守的轉(zhuǎn)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(shù)手段，深入挖掘環(huán)保設(shè)備運(yùn)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(shè)備智慧運(yùn)維方案，解決設(shè)備能耗物耗高、運(yùn)維難度大、排放不穩(wěn)定、人工介入耗時(shí)費(fèi)力等痛點(diǎn)問題，并通過持續(xù)節(jié)能降耗減少碳排放強(qiáng)度，促進(jìn)國家碳達(dá)峰、碳中和的“3060 目標(biāo)”達(dá)成。

真空熱管低溫省煤器技術(shù)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(shí)現(xiàn)高效換熱的同時(shí)，提升傳統(tǒng)省煤器的使用壽命和運(yùn)行安全性。其與電除塵器有機(jī)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(gè)更安全可靠的新型智能化技術(shù)升級措施，也將作為燃煤鍋爐智慧、節(jié)能、降碳技術(shù)升級的首選方案。