智慧环保系统在真空热管低温省煤器中的应用

尹 晓，张 跃，谢庆亮，杨 增，付康康，马艳明

（1.国能南宁发电有限公司，广西南宁 530313；2.福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364002）

0 引言

2014 年以来，我国燃煤电厂开始全面推行超低排放，燃煤锅炉烟气污染物排放得到有效控制且下降趋势明显。作为超低排放工艺系统的重要组成部分，传统低温省煤器磨损、泄漏的问题日益凸显，并成为制约低低温电除尘器性能的重要因素，节能、降碳工艺系统的长治久安已成为当前我国燃煤电厂技改新的重点工作之一。真空热管的低低温高效燃煤烟气处理系统，具有零泄漏、稳定提高电除尘效率、烟气余热回收利用及协同捕集硫化物等突出的节能环保属性，成为当前“双碳”政策下燃煤电厂实施节能环保二次改造的首选工艺之一。2021 年，为积极应对全球气候变化，中国碳达峰、碳中和也已被纳入“十四五”规划和2035 年远景目标。在2022 年，由生态环境部等15 部门联合印发《深入打好重污染天气消除、臭氧污染防治和柴油货车污染治理攻坚战行动方案》提出，到2025 年全国重度及以上污染天气基本消除。在如此密集的政策推动下，如何确保设备节能、稳定运行已经成为我国燃煤电厂践行低碳行动的重要一环。

随着智能控制在工业领域中的推广和应用，设备数字化、智能化、人机交互，已成为火电行业发展的新趋势。对于燃煤电厂而言，低低温高效燃煤烟气处理系统中的低温省煤器在运行过程中可能引发的设备故障、换热性能下降是一个长期而缓慢过程，依靠传统监测手段无法做到实时判断、提前预警。

先进的设备检测技术和计算机功能，可以实现对低温省煤器设备运行情况进行实时跟踪，以各种形式的反馈信号对设备运行情况进行分析、预警。目前，基于智能化控制的智慧环保系统可以将计算机终端采集到的实时运行数据与历年归档数据进行多角度、全方位的对比分析，当智能系统判断出设备当前运行状态参数超出期望值预设的阈值时，将及时发出设备故障预警信号。根据实际运用需求情况，故障预警信号可以通过多种通信形式传达到监管者，如短信或微信。当系统出现故障预警时，监管者可以根据相关预警信号及时调整设备的运行工况、提前避开风险区，同时对可能受到波及的上下游设备进行“风险规避”操作。后勤部门也可以根据智慧环保系统提供的故障预警信号，及时补充故障处理所需的备品配件，以适时进行检修或更换。蒙原、林伟锋[1-2]等人已经对燃煤电厂电除尘设备智慧监测、安全管控等进行研究分析，提出应用SIS（Supervisory Information System，火电厂厂级监控信息系统）、PI（Plant Information）数据库、人工智能等手段实现其智能化安全稳定运维。本文将主要针对智慧环保系统在真空热管低温省煤系统中的应用，进行介绍、分析。

1 真空热管低温省煤系统

传统燃煤锅炉的低温省煤器多以“管壳式对流换热”为特征的翅片管换热器为主，同时由于其稳定提高电除尘效率的特性，多数低温省煤器均设置在除尘设备的入口端，使得低温省煤器设备常年处在高速含尘烟气中，换热器磨损严重，最终导致冷却水泄漏。据不完全统计，传统低温省煤器在运行2～3 年后均出现了不同程度的换热管泄漏，进而导致烟风系统堵塞、锅炉机组阻力大幅增加和电除尘积灰板结等安全问题。这些问题已经成为国内燃煤机组的普遍难题，也是燃煤锅炉运维过程中的一大痛点问题。为解决这些问题，市场上出现了一种新的LVE 型“零泄漏”真空热管低温省煤器，并在660 MW 大型燃煤机组获得成功应用[3]。

原论上，真空热管低温省煤器主要应用基于轴流式两相闭式热虹吸管（又称重力热管）工作原理的三段式真空热管换热器：第一段为蒸发段，主要是利用热管内部工质的相变吸收烟气中的热量，并传递给冷凝段的冷却水，实现烟气余热回收；第二段为冷凝段，主要是将热管内部工质吸收的热量传递给冷却水；第三段为储气段，针对真空热管的固有特性，在真空热管的顶部再设置一段储气室，主要用于储存热管内部空腔中钢—水反应生成的不凝性气体，从而降低不凝性气体对热管换热性能的影响（图1）。

图1 三段式真空热管低温省煤器技术原理

2 真空热管低温省煤器配套的智慧环保系统

2.1 数据采集

通过SIS PI 实时数据获取真空热管低温省煤器运行参数，主要包括设备的吹灰频率、进出口烟温、进出口水温、进出口压差、循环水流量等，并以机组DCS时钟为基准，或以GPS 时钟对时，将采集的数据通过物联网VPDN（Virtual Private Dialup Networks，虚拟私有拨号网络）远程传输至云平台。

2.2 模型建立

设备运行数据经过采集后，需要运用神经网络等算法，对设备正常运行状态下的参数进行自我学习、训练，建立真空热管低温省煤器运行最优参数模型。同时考虑到设备在不同运行工况下的差异，随着运行时间的推移，设备老化，以及设备在极端工况下的运行特性等因素，需要在模型中加入机械劣化模型、过负载模型等计算模型，以强化模型的适应性和准确性。经过一定时间的自我学习、训练，完善形成真空热管低温省煤器最优运行模型，并能够在设备运行过程中存在潜在风险时进行提前预测警示，当设备发生故障时及时发出报警信号，并形成故障记录存档。

2.3 数据分析管理

根据真空热管低温省煤器不同的运行场景，制定相应的控制策略、设置预警阈值，使设备运行在最佳状态，并建立设备全流程生命周期管理。

由于省煤器换热模块的蒸发段处于高浓度粉尘的烟气之中，磨损在所难免，并最终因局部磨损过度造成热管内部工质外泄，导致该热管失效。另外，真空热管内部，由于钢—水化学反应也将产生不凝性气体，随着真空热管内部不凝性气体的富集，也会降低热管的换热性能。通过智能化数据分析，对比真空热管运行过程各参数的变化情况，建立模组热管失效预警模型，并将历史数据导入模型，经过智能化系统学习，比对历史记录找出真空热管换热模组中热管失效的特征值，指导运维人员对失效热管或换热性能下降的热管及时进行再生处理。

最后，为了进一步提升真空热管低温省煤器的智能化预警功能，在运行过程中通过对真空热管运行参数的实时监控、历史数据智能对比分析，以及系统接收红外热成像仪传回的光电信号，实现对每根热管性能优劣的及时反馈，对特定工况下真空热管低温省煤器的运行、维护进行精确判断，实现快速响应和指导热管再生与修复，保证省煤器的长效传热性能。

3 案例分析

广西国能某电厂真空热管低温省煤器改造项目，在2022 年11 月完成改造，其中配套了真空热管低温省煤器智慧环保运维方案，于当年12 月成功投运。

3.1 设备状态信息监测

真空热管低温省煤器智慧环保系统是基于真空热管低温省煤器工艺流程图的实时数据和历史曲线查询，满足了常规监盘需求。除了实现常规设备监测外，还以三维数字化的形式对设备状态进行动态立体呈现，用不同颜色模拟设备温度变化，再加上设备透视、拆分、旋转等空间操作，形成更加直观的信息感知，提高运维的便捷性（图2）。

图2 真空热管低温省煤器三维数字运维系统工作界面

3.2 大数据运维诊断

通过异常检测算法自动分析、总结引发故障或性能下降的特性规律，准确识别如出口水温波动或大偏置、出入口烟温过高过低、烟道差压异常等征兆，并通过换热机理和数据分析融合方案，判定设备换热效率是否下降以及下降程度，进而结合专家知识库定位系统故障原因、指导修复（图3）。

图3 智慧环保系统异常诊断及维护

3.3 应用成效

应用于真空热管低温省煤器的智慧环保系统是一套数据驱动的运维方案，其能力和成效将随着后续设备运行数据的增长而提升。目前，基于异常征兆的精准识别和提前处理，可以避免相当大一部分的运行故障，降低维护成本。其实现的成果主要有：按照月均减少投入运维成本5 万元计，12 个月共计减少60 万元；多维度的信息呈现有效降低运行人员监盘投入时长，减少人力成本30 万元；加上专家级的换热效率评估和诊断分析，提升了故障处理效率和设备可用时长，预估可延长设备使用年限3 年以上，内置智慧环保系统的真空热管低温省煤器使用寿命预计可超过8 年以上，产生年平均正向收益200 万元。从以上分析可以看出，内置智慧环保系统的真空热管低温省煤器每年实现经济效益可达290 万元，且降碳效果良好。

4 结束语

随着人力成本的增加，越来越多工业应用场景采用智能无人化值守系统，传统火力发电厂的智慧环保就是一个很好的切入点，包括真空热管低温省煤器智慧环保系统。无人值守系统是基于智慧安全、智慧运行、智慧检修三大应用体系组成的超融合一体化环保侧智慧方案，通过无人化、智慧化运营来减少火力发电厂环保设施在调控、检修层面对人力的依赖，实现了从实时多人值守向少人值守，甚至无人值守的转化。

智慧环保系统依托人工智能、大数据等前沿技术手段，深入挖掘环保设备运行数据特性和潜在规律，融合行业专家知识体系，形成工业级智慧控制和设备智慧运维方案，解决设备能耗物耗高、运维难度大、排放不稳定、人工介入耗时费力等痛点问题，并通过持续节能降耗减少碳排放强度，促进国家碳达峰、碳中和的“3060 目标”达成。

真空热管低温省煤器技术适用于燃煤电厂冷却水零泄漏的烟气余热利用换热装置，替代原有传统管壳式换热装置，在实现高效换热的同时，提升传统省煤器的使用寿命和运行安全性。其与电除尘器有机组合，还可以高效、协同烟气余热回收和烟气高效除尘。智慧环保系统不仅为低低温高效燃煤烟气处理系统提供一个更安全可靠的新型智能化技术升级措施，也将作为燃煤锅炉智慧、节能、降碳技术升级的首选方案。