燃煤火電廠設備可靠性與安全保障技術研究

葉林浩，王 冠，胡智頻，羅立權，趙俊杰

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

隨著能源電力保供和全國統一電力市場交易常態化，對煤電機組的運行可靠性、兜底支撐調節作用提出了更高的要求[1-3]。國家和地方發改委、能源局均要求煤電企業加強設備運行維護和管理，減少機組出力受阻，確保機組穩發穩供，并對非停、檢修超期、出力受阻嚴重的煤電機組加大考核力度[2-4]。火電廠發電量和收益逐漸由計劃型向統一開放的電力中長期、現貨、輔助服務市場交易轉型，機組可靠性直接影響現貨競價得來的發電計劃履約完成[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，導致機組運行發電長期偏離計劃曲線，煤電企業面臨嚴重的考核和經濟處罰[4-7]。利用數字化、人工智能等新技術，提高設備監測能力，開展預測性維護和狀態檢修，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備可靠性智能監控和安全提升技術路線，促進煤電低碳、高效、靈活、安全、智能化發展，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備可靠性提升和安全管控的智能化技術，為企業參與能源保供和電力市場競價提供技術支撐和兜底保障。本研究有助于深入了解煤電企業提升設備運行可靠性的智能化、精益化管理技術，以促進生產經營協同聯動創效，實現電廠整體提質增效，提高交易能力、運營效率和盈利水平。

1 智能化檢測監測

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加大、機組運行時間更長、機組平均負荷率更大、檢修周期縮短等局面，對設備可靠性提出了更高的要求。傳統的設備檢修、維護模式以巡檢、點檢、大檢查、等級檢修為主，缺少智能主動發現、預測預警提醒等先進功能，導致工作人員工作量較大，同時設備隱患、缺陷、事故等仍然頻發，對煤電企業安全穩定生產造成了重大的風險。適用于燃煤電廠設備保障的智能檢測監測技術包括：

（1）參與一次調頻系統的快速響應高精度頻率測量裝置。對于頻率信號采樣不滿足一次調頻需要的響應迅速及高精度的要求的機組，一次調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 內精確測量頻率，精度為千分之一。

（2）無線網絡在線式防誤管理系統。利用微功耗無線通信技術，搭建實時通信網絡，采用較低的成本就能將原本離線式微機防誤系統改造成在線防誤綜合操作系統，解決現有離線五防系統的諸多問題，實現防誤主機與現場設備狀態的一致性及邏輯判斷的實時性。該技術通過數據實時共享，實時邏輯判斷，基于現場實時遙信的閉鎖邏輯判斷、拓撲閉鎖邏輯分析等，提高了防誤系統判斷時效，減輕工作人員工作強度。

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

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

（5）給煤機控制回路優化改造。改造方法包括3個部分。將給煤機變頻器轉速控制指令4～20 mA 擴展，并傳輸到DCS 控制。將給煤機驅動機的電流信號傳輸到DCS 監控。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知的故障跳閘。改造的目的是將給煤機控制系統中不可監控的狀態轉化為可監控的狀態，便于給煤機故障分析。

（6）鍋爐四管泄漏監測與預防性治理技術。采用電站鍋爐受熱面壁溫在線監測系統，實時顯示高溫管組爐內汽溫、壁溫、爐膛出口煙溫差受熱面積灰、結渣情況、煙氣側吸熱偏差曲線，實現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監督匯總鍋爐四管的規格、材質、工況條件和無損檢測結果等多參數。附帶專家診斷系統，不僅可全面監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，提前給出泄漏預警，有效輔助設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。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）存在環并問題，當發生直流負載接地時，會發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 直流負荷側環并問題，保證兩路熱工電源無擾切換。該技術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Ⅲ段電源分列運行，無并環點。直流單段故障情況下，保證無擾切換。

（2）參與AGC、DEH 調節的發電機智能功率變送裝置應用。傳統的功率波動會造成機組的不穩定運行，發電機智能變送裝置，滿足暫態特性和變送器精度要求。能確保發電機功率自動調節系統和DCS可靠運行。該技術適用于有功功率信號送至DEH、AGC 等控制系統存在跳變及暫態下失真隱患的機組。每一臺發電機智能變送裝置分別接入兩組獨立發電機端電壓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，要確保送控制系統的有功功率信號可靠。

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

（4）檢修作業安全隔離管理系統。對檢修設備周邊釋放能量（電、水、油、氣、汽等）的斷開位置加裝鎖具，并確保安全措施，需工作負責人和工作許可人雙方控制。該系統利用共鎖技術、階段性強制閉鎖理念，實現設備檢修作業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。多個工作任務涉及的同一安措設備，可采用一把智能鎖具閉鎖管理。每個工作任務的工作負責人，通過授權方式管控閉鎖設備的操作權限。

（5）發電機定子冷卻水系統加裝精準調整裝置。將發電機內冷水系統補水方式變更為凝結水精處理出口母管加氨點前、后兩路水，通過程控自動調節兩路補水比例進行水質pH 調節，以提高內冷卻水水質。該技術適用于水-氫-氫冷卻發電機組，發電機定子繞組空心導線材質為銅，凝結水精處理出口母管加氨運行。

（6）熱力系統加裝強磁除鐵裝置。采用強磁材料NdFeB 制作的強磁除鐵裝置，以除去火電廠凝結水、生產返回水等中的鐵磁性腐蝕雜質，以凈化水質。強磁除鐵裝置適用于凝結水、中高溫生產返回水和高加疏水、熱網疏水等處理，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。根據灰的黏結性和受熱面積灰情況，計算出鍋爐四管清潔因子，據此優化吹灰汽源、方式、時間、部位和頻次，實現按“需”吹灰。

3 設備性能升級

用于燃煤電廠設備可靠性性能提升的技術包括：

（1）廠用油開關更換改造。傳統的油開關切斷3次短路電流須換油，否則影響可靠性。將3～10 kV 油開關更換為真空開關，可提高開關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。采用新型納米涂層材料，結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。該技術適用于治理鍋爐受熱面高溫腐蝕、沾污、結焦，吹灰器口吹損、管壁減薄等場景。

（3）對沖燃燒鍋爐貼壁風技術。改善對沖旋流鍋爐側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。利用蝦米曲線顆粒快速下降原理，解決原煤倉棚堵煤，以方便燃煤機組摻燒更多高水分、黏度高的低成本煤泥。

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

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

（7）煙囪防腐改造。對于采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝、不設置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筒表面焊裝1.6 mm厚度純鈦板防腐內襯，內煙道及導流板焊裝純鈦板，排煙內筒、內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合磨輥及磨盤。將預先鑄造好的與工件表面形狀相吻合的網格狀預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，冷卻成型，制備成金屬陶瓷復合磨輥及磨盤。該技術可解決磨煤機磨損嚴重，石子煤量大，中速磨制粉系統出力影響鍋爐出力，制粉電耗高等火電廠痛點。

4 結束語

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

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

（2）提升設備安全保障能力的智能控制保護技術包括：直流雙路無擾切換電源，基于AGC、DEH 調節的發電機智能功率變送裝置、中壓母線開關裝設快速滅弧裝置、檢修作業安全隔離管理系統、發電機定子冷卻水系統加裝精準調整裝置、強磁除鐵裝置、鍋爐智能吹灰等。

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