智慧環保系統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.國能南寧發電有限公司，廣西南寧 530313；2.福建龍凈環保股份有限公司，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的重要組成部分，傳統低溫省煤器磨損、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，節能、降碳工藝系統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，具有零泄漏、穩定提高電除塵效率、煙氣余熱回收利用及協同捕集硫化物等突出的節能環保屬性，成為當前“雙碳”政策下燃煤電廠實施節能環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”規劃和2035 年遠景目標。在2022 年，由生態環境部等15 部門聯合印發《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，如何確保設備節能、穩定運行已經成為我國燃煤電廠踐行低碳行動的重要一環。

隨著智能控制在工業領域中的推廣和應用，設備數字化、智能化、人機交互，已成為火電行業發展的新趨勢。對于燃煤電廠而言，低低溫高效燃煤煙氣處理系統中的低溫省煤器在運行過程中可能引發的設備故障、換熱性能下降是一個長期而緩慢過程，依靠傳統監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保系統可以將計算機終端采集到的實時運行數據與歷年歸檔數據進行多角度、全方位的對比分析，當智能系統判斷出設備當前運行狀態參數超出期望值預設的閾值時，將及時發出設備故障預警信號。根據實際運用需求情況，故障預警信號可以通過多種通信形式傳達到監管者，如短信或微信。當系統出現故障預警時，監管者可以根據相關預警信號及時調整設備的運行工況、提前避開風險區，同時對可能受到波及的上下游設備進行“風險規避”操作。后勤部門也可以根據智慧環保系統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]等人已經對燃煤電廠電除塵設備智慧監測、安全管控等進行研究分析，提出應用SIS（Supervisory Information System，火電廠廠級監控信息系統）、PI（Plant Information）數據庫、人工智能等手段實現其智能化安全穩定運維。本文將主要針對智慧環保系統在真空熱管低溫省煤系統中的應用，進行介紹、分析。

1 真空熱管低溫省煤系統

傳統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，同時由于其穩定提高電除塵效率的特性，多數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。據不完全統計，傳統低溫省煤器在運行2～3 年后均出現了不同程度的換熱管泄漏，進而導致煙風系統堵塞、鍋爐機組阻力大幅增加和電除塵積灰板結等安全問題。這些問題已經成為國內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：第一段為蒸發段，主要是利用熱管內部工質的相變吸收煙氣中的熱量，并傳遞給冷凝段的冷卻水，實現煙氣余熱回收；第二段為冷凝段，主要是將熱管內部工質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保系統

2.1 數據采集

通過SIS PI 實時數據獲取真空熱管低溫省煤器運行參數，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，將采集的數據通過物聯網VPDN（Virtual Private Dialup Networks，虛擬私有撥號網絡）遠程傳輸至云平臺。

2.2 模型建立

設備運行數據經過采集后，需要運用神經網絡等算法，對設備正常運行狀態下的參數進行自我學習、訓練，建立真空熱管低溫省煤器運行最優參數模型。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，當設備發生故障時及時發出報警信號，并形成故障記錄存檔。

2.3 數據分析管理

根據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，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部工質外泄，導致該熱管失效。另外，真空熱管內部，由于鋼—水化學反應也將產生不凝性氣體，隨著真空熱管內部不凝性氣體的富集，也會降低熱管的換熱性能。通過智能化數據分析，對比真空熱管運行過程各參數的變化情況，建立模組熱管失效預警模型，并將歷史數據導入模型，經過智能化系統學習，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的實時監控、歷史數據智能對比分析，以及系統接收紅外熱成像儀傳回的光電信號，實現對每根熱管性能優劣的及時反饋，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保運維方案，于當年12 月成功投運。

3.1 設備狀態信息監測

真空熱管低溫省煤器智慧環保系統是基于真空熱管低溫省煤器工藝流程圖的實時數據和歷史曲線查詢，滿足了常規監盤需求。除了實現常規設備監測外，還以三維數字化的形式對設備狀態進行動態立體呈現，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字運維系統工作界面

3.2 大數據運維診斷

通過異常檢測算法自動分析、總結引發故障或性能下降的特性規律，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據分析融合方案，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故障原因、指導修復（圖3）。

圖3 智慧環保系統異常診斷及維護

3.3 應用成效

應用于真空熱管低溫省煤器的智慧環保系統是一套數據驅動的運維方案，其能力和成效將隨著后續設備運行數據的增長而提升。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；多維度的信息呈現有效降低運行人員監盤投入時長，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，內置智慧環保系統的真空熱管低溫省煤器使用壽命預計可超過8 年以上，產生年平均正向收益200 萬元。從以上分析可以看出，內置智慧環保系統的真空熱管低溫省煤器每年實現經濟效益可達290 萬元，且降碳效果良好。

4 結束語

隨著人力成本的增加，越來越多工業應用場景采用智能無人化值守系統，傳統火力發電廠的智慧環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保系統。無人值守系統是基于智慧安全、智慧運行、智慧檢修三大應用體系組成的超融合一體化環保側智慧方案，通過無人化、智慧化運營來減少火力發電廠環保設施在調控、檢修層面對人力的依賴，實現了從實時多人值守向少人值守，甚至無人值守的轉化。

智慧環保系統依托人工智能、大數據等前沿技術手段，深入挖掘環保設備運行數據特性和潛在規律，融合行業專家知識體系，形成工業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、排放不穩定、人工介入耗時費力等痛點問題，并通過持續節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，替代原有傳統管殼式換熱裝置，在實現高效換熱的同時，提升傳統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、協同煙氣余熱回收和煙氣高效除塵。智慧環保系統不僅為低低溫高效燃煤煙氣處理系統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、節能、降碳技術升級的首選方案。