燃煤火电厂设备可靠性与安全保障技术研究

叶林浩，王 冠，胡智频，罗立权，赵俊杰

（1.国能浙江北仑第一发电有限公司，浙江宁波 315800；2.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100034）

随着能源电力保供和全国统一电力市场交易常态化，对煤电机组的运行可靠性、兜底支撑调节作用提出了更高的要求[1-3]。国家和地方发改委、能源局均要求煤电企业加强设备运行维护和管理，减少机组出力受阻，确保机组稳发稳供，并对非停、检修超期、出力受阻严重的煤电机组加大考核力度[2-4]。火电厂发电量和收益逐渐由计划型向统一开放的电力中长期、现货、辅助服务市场交易转型，机组可靠性直接影响现货竞价得来的发电计划履约完成[3-5]。由于机组非停、长时间非计划降出力以处理辅机重大缺陷等，导致机组运行发电长期偏离计划曲线，煤电企业面临严重的考核和经济处罚[4-7]。利用数字化、人工智能等新技术，提高设备监测能力，开展预测性维护和状态检修，将有助于提高煤电机组可靠性[6-8]。因此，有必要深入分析适用于燃煤火电厂的设备可靠性智能监控和安全提升技术路线，促进煤电低碳、高效、灵活、安全、智能化发展，提升煤电机组的市场竞争力。

文章拟分析燃煤火电厂开展设备可靠性提升和安全管控的智能化技术，为企业参与能源保供和电力市场竞价提供技术支撑和兜底保障。本研究有助于深入了解煤电企业提升设备运行可靠性的智能化、精益化管理技术，以促进生产经营协同联动创效，实现电厂整体提质增效，提高交易能力、运营效率和盈利水平。

1 智能化检测监测

2021年年底国家能源集团煤电装机容量为1.94亿kW，占全国煤电总装机的17.7 %。2020年煤电机组利用小时为4 447 h，2021年由于能源保供，煤电机组利用小时为4 972 h，大幅提升了525 h。面对能源保供压力持续加大、机组运行时间更长、机组平均负荷率更大、检修周期缩短等局面，对设备可靠性提出了更高的要求。传统的设备检修、维护模式以巡检、点检、大检查、等级检修为主，缺少智能主动发现、预测预警提醒等先进功能，导致工作人员工作量较大，同时设备隐患、缺陷、事故等仍然频发，对煤电企业安全稳定生产造成了重大的风险。适用于燃煤电厂设备保障的智能检测监测技术包括：

（1）参与一次调频系统的快速响应高精度频率测量装置。对于频率信号采样不满足一次调频需要的响应迅速及高精度的要求的机组，一次调频采样装置建立于高性能32位处理器平台的快速变送装置，用于采集一次系统频率49.8～50.2 Hz 和精度0.2 %等级，且不受谐波的影响。PT 三相电压采用傅立叶算法实时计算频率，在20 ms 内精确测量频率，精度为千分之一。

（2）无线网络在线式防误管理系统。利用微功耗无线通信技术，搭建实时通信网络，采用较低的成本就能将原本离线式微机防误系统改造成在线防误综合操作系统，解决现有离线五防系统的诸多问题，实现防误主机与现场设备状态的一致性及逻辑判断的实时性。该技术通过数据实时共享，实时逻辑判断，基于现场实时遥信的闭锁逻辑判断、拓扑闭锁逻辑分析等，提高了防误系统判断时效，减轻工作人员工作强度。

（3）直流系统特殊故障绝缘监测。直流绝缘监测系统对交流串直流、直流平衡接地、蓄电池接地、直流环网等特殊故障无法反映，通过增加特殊监测手段，提高发电可靠性。该系统能够监测直流蓄电池接地，适用于无法监测特殊故障的直流绝缘监测系统，防止直流系统受到交流串入影响设备误动和拒动。

（4）北斗对时系统改造。北斗二代对时系统以北斗为主，GPS 为辅，精确度高。加装北斗二代对时系统后，可防止国外系统崩溃或故意误导。采用双重化时钟源设计，即两套对时系统，主、辅时钟柜均有GPS 和CBD 双信号源，对全厂电气、热工、调度自动化设备对时。

（5）给煤机控制回路优化改造。改造方法包括3个部分。将给煤机变频器转速控制指令4～20 mA 扩展，并传输到DCS 控制。将给煤机驱动机的电流信号传输到DCS 监控。将变频器更换为IP66高防护等级变频器，防止灰尘和潮气侵入变频器电子板件造成各种不可预知的故障跳闸。改造的目的是将给煤机控制系统中不可监控的状态转化为可监控的状态，便于给煤机故障分析。

（6）锅炉四管泄漏监测与预防性治理技术。采用电站锅炉受热面壁温在线监测系统，实时显示高温管组炉内汽温、壁温、炉膛出口烟温差受热面积灰、结渣情况、烟气侧吸热偏差曲线，实现高温管组各管段寿命管理和壁温异常筛查。最先进的四管泄漏技术监督汇总锅炉四管的规格、材质、工况条件和无损检测结果等多参数。附带专家诊断系统，不仅可全面监测锅炉四管的高温腐蚀、磨损、蠕变、超温、氧化皮累积等，还能评估出剩余寿命，提前给出泄漏预警，有效辅助设备管理人员提前合理安排检修工期，防止机组突然非停。

2 智能化控制保护

（1）直流双路无扰切换电源技术。针对机组正常运行时，采用电子二极管隔离的热工DCS（ETS、MFT）两路直流电源（DC110、DC220）存在环并问题，当发生直流负载接地时，会发生两段直流母线接地报警。采用双路输入、逆变隔离、切换时间小于10 ms的直流双路无扰切换电源，解决DC100、DC220 直流Ⅰ、Ⅱ段电源在热工DCS 直流负荷侧环并问题，保证两路热工电源无扰切换。该技术适用于机组采用电子二极管隔离的热工DCS 的直流电源改造。机组正常运行时，保证DC110、DC220直流系统Ⅲ段电源分列运行，无并环点。直流单段故障情况下，保证无扰切换。

（2）参与AGC、DEH 调节的发电机智能功率变送装置应用。传统的功率波动会造成机组的不稳定运行，发电机智能变送装置，满足暂态特性和变送器精度要求。能确保发电机功率自动调节系统和DCS可靠运行。该技术适用于有功功率信号送至DEH、AGC 等控制系统存在跳变及暂态下失真隐患的机组。每一台发电机智能变送装置分别接入两组独立发电机端电压PT 绕组、一组保护级机端电流CT 绕组、一组测量级机端电流CT 绕组，双电源供电，要确保送控制系统的有功功率信号可靠。

（3）中压母线开关装设快速灭弧装置。中压开关发生弧光短路时，靠过流、速断、或零序保护切断上级开关，弧光燃烧时间常大于100 ms，开关和母线烧损严重，修复工期长。国内外已有光电元件监测电弧的发生，加上电流判断，可靠地主动将三相短路，降低弧光电压，4 ms 内快速熄灭电弧，触发上级开关断开，大幅降低弧光短路造成的设备损害速断停电修复时间。该技术适用于新安装和在用的中压开关，可降低弧光短路损害程度，降低弧光燃烧产生的有害气体，降低次生事故发生概率，缩短停电时间和修复工期。

（4）检修作业安全隔离管理系统。对检修设备周边释放能量（电、水、油、气、汽等）的断开位置加装锁具，并确保安全措施，需工作负责人和工作许可人双方控制。该系统利用共锁技术、阶段性强制闭锁理念，实现设备检修作业时危险源的可靠闭锁隔离管理以及解除隔离闭锁时的防误操作。多个工作任务涉及的同一安措设备，可采用一把智能锁具闭锁管理。每个工作任务的工作负责人，通过授权方式管控闭锁设备的操作权限。

（5）发电机定子冷却水系统加装精准调整装置。将发电机内冷水系统补水方式变更为凝结水精处理出口母管加氨点前、后两路水，通过程控自动调节两路补水比例进行水质pH 调节，以提高内冷却水水质。该技术适用于水-氢-氢冷却发电机组，发电机定子绕组空心导线材质为铜，凝结水精处理出口母管加氨运行。

（6）热力系统加装强磁除铁装置。采用强磁材料NdFeB 制作的强磁除铁装置，以除去火电厂凝结水、生产返回水等中的铁磁性腐蚀杂质，以净化水质。强磁除铁装置适用于凝结水、中高温生产返回水和高加疏水、热网疏水等处理，尤其适用于空冷机组，可有效缩短机组启动时间，显著降低排水量。

（7）锅炉智能吹灰系统。根据灰的黏结性和受热面积灰情况，计算出锅炉四管清洁因子，据此优化吹灰汽源、方式、时间、部位和频次，实现按“需”吹灰。

3 设备性能升级

用于燃煤电厂设备可靠性性能提升的技术包括：

（1）厂用油开关更换改造。传统的油开关切断3次短路电流须换油，否则影响可靠性。将3～10 kV 油开关更换为真空开关，可提高开关长周期运行的可靠性。

（2）水冷壁喷涂高温纳米陶瓷涂层技术。采用新型纳米涂层材料，结合超音速电弧喷涂工艺，有效抑制了硫、氯同时存在造成的水冷壁高温腐蚀。该技术适用于治理锅炉受热面高温腐蚀、沾污、结焦，吹灰器口吹损、管壁减薄等场景。

（3）对冲燃烧锅炉贴壁风技术。改善对冲旋流锅炉侧墙水冷壁贴壁附近的还原性气氛，抑制水冷壁高温腐蚀。

（4）虾米曲线原煤斗。利用虾米曲线颗粒快速下降原理，解决原煤仓棚堵煤，以方便燃煤机组掺烧更多高水分、黏度高的低成本煤泥。

（5）空预器在线高压水清洗技术。适用于回转式空气预热器，冲洗介质采用高压头温水，流量小，覆盖范围大。

（6）防磨弯头改造技术。将现有的弯头改造为碳化硅耐磨弯头，应用于锅炉制粉和输灰系统。

（7）烟囱防腐改造。对于采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺、不设置GGH 加热装置、无烟气旁路的火电机组，可在原有烟囱钢制排烟内筒表面焊装1.6 mm厚度纯钛板防腐内衬，内烟道及导流板焊装纯钛板，排烟内筒、内接烟道外表面进行防腐并采取保温措施。

（8）中速磨煤机金属陶瓷复合磨辊及磨盘。将预先铸造好的与工件表面形状相吻合的网格状预制件固定在磨煤机磨辊或磨盘砂型的表面，将高铬合金熔液浇铸在砂型腔内，冷却成型，制备成金属陶瓷复合磨辊及磨盘。该技术可解决磨煤机磨损严重，石子煤量大，中速磨制粉系统出力影响锅炉出力，制粉电耗高等火电厂痛点。

4 结束语

本研究分析了燃煤电厂采用智能化手段提升对主要设备的检测监测和控制保护能力，增强了电厂长周期运行的可靠性和安全稳定保障。

（1）提升设备可靠性的智能监测技术包括：一次调频系统高精度频率测量装置、无线防误管理、直流系统故障绝缘监测、基于双重化时钟源设计的北斗对时系统、给煤机控制回路优化、锅炉四管泄漏监测等。

（2）提升设备安全保障能力的智能控制保护技术包括：直流双路无扰切换电源，基于AGC、DEH 调节的发电机智能功率变送装置、中压母线开关装设快速灭弧装置、检修作业安全隔离管理系统、发电机定子冷却水系统加装精准调整装置、强磁除铁装置、锅炉智能吹灰等。

（3）设备长周期运行可靠性能升级的技术包括：厂用油开关更换为真空开关、水冷壁喷涂纳米涂层材料、锅炉贴壁风、虾米煤斗、空预器在线高压水清洗、碳化硅耐磨弯头、烟囱防腐改造。