项目案例简介
国家能源集团节能创新技术研究与示范中心，依托国家能源集团乐东发电有限公司、华中科技大学煤燃烧国家重点实验室及高科技公司，针对节能和智能技术前沿发展方向和核心技术展开研究，充分利用各方专家的力量和科研设备，在燃煤高效清洁燃烧、多种含碳燃料（污泥、垃圾、生物质等）耦合燃烧、燃料全流程智能管控、锅炉安全可靠运行、机组灵活性、智能控制系统、设备智慧检修、机器人及人工智能、企业标准体系建设等开展全方位合作，加大科研力量投入，加速科技成果转化，共享相关知识产权，共同推发电企业创新和高质量高水平发展。
案例专题：2023综合能源服务暨数智化转型创新优秀项目案例汇编
选送单位：国家能源集团乐东发电有限公司
项目案例背景
研究与示范中心研发落地的项目：灵活运行背景下锅炉智能吹灰系统研发与应用、基于数据融合的设备状态监测和智慧检修系统、基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用，以及海水淡化制水车间无人值守平台研发与应用等，项目节能降耗成效明显，取得了良好的经济效益和社会效益。
1.灵活运行背景下锅炉智能吹灰系统研发与应用
针对锅炉灵活运行条件下燃用非设计煤种时，吹灰指令与吹灰需求不匹配引发的安全、经济性问题。项目通过产学研相结合，利用人工智能算法和数据挖掘技术，构建了智能吹灰控制平台。
创立了受热面灰污监测模型，以此表征受热面的积灰结渣状况；利用大数据分析方法，挖掘出易积灰、结渣区域的吹灰器；进一步利用吹灰器敏感性分析，根据吹灰器的敏感性对吹灰器进行了重新分组，并设置不同的吹灰频率；综合受热面洁净因子、受热面金属壁温、蒸汽温度、烟气温度等参数，构建了基于规则库的多维度综合评判吹灰决策模型；最后综合上述研究开发并应用智能吹灰系统。
系统投运后显著减少了受热面管壁超温次数，月均超温时间减少70%以上；减少吹灰蒸汽耗量折算节约标煤约1300吨/年，CO2减排3444吨/年。显著提高了锅炉运行的安全性和经济性。
2.基于数据融合的设备状态监测和智慧检修系统
项目主要研究内容是在乐东公司现有硬件和信息系统的基础上，开发基于大数据融合的电厂设备智慧化运行管控系统。系统以SIS数据为基础，融合点检数据，并以相关试验和测试数据作为补充，以数据挖掘模型为工具；针对具体设备建立物理模型和运行知识库，进而开展状态监测、健康评估、经济运行分析等；以实现设备异常发现、故障原因预判、检修计划建议的安全分析功能，以及设备运行寻优、运行优化方式建议、影响经济运行因素分析等经济分析和优化功能；确保设备状态全面受控，挖掘设备安全性和经济性的最佳平衡点，为实现电厂设备的全程监控和运行管理水平提供有效和便利的技术途径。
3.基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用
乐东公司燃料主要以神华煤及印尼煤为主，但由于煤中碱金属（K、Na为主）含量相对偏高，灰熔点偏低，易结焦。同时在超低排放改造后，锅炉主燃烧区的还原性气体浓度过高，加剧了煤灰熔点的降低，从而使得碱金属含量偏高引起灰熔点降低的问题被放大，制约着煤的高效利用。此外，结焦引起排烟温度升高，锅炉能耗增加，也对机组的安全运行造成影响。既然燃煤中碱金属的含量是煤灰熔点高低的关键因素，如果我们能够有效地在线监测燃煤中碱金属的含量，做出锅炉粘污结渣预报，从而针对性给出调整措施，源头治理，就可以很好的控制锅炉沾污结渣，同时有效地降低炉膛出口排烟温度，实现节能降耗。因此，开展基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用十分必要。
碱金属特征谱线的辐射强度与碱金属的浓度有关，基于原子发射光谱定量分析和火焰热辐射的精确计算，建立起碱金属特征谱线强度与碱金属浓度之间的定量关系，实现火焰中的碱金属进行定量测量。结合乐东电厂锅炉运行的实际情况，通过研究燃烧温度、燃料特性、配风等对碱金属释放的影响规律，建立碱金属释放的动力学模型，以在线监测的碱金属浓度大小来预测、分析、评估锅炉燃用高碱煤时受热面的状态。从而针对性做出相关调整，如吹灰优化，配煤策略调整等。从而实现控制锅炉沾污结焦的关口前移，实施“状态”控焦，即依据在线监测的碱金属浓度大小，来分析炉膛结焦的可能发展趋势，提前进行干预调整，来控制或缓解沾污结焦，区别于以往的锅炉“事后控制”，即锅炉出现结焦，引起汽温、烟温、壁温等参数恶化后，才进行针对性的事后调整。
基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术能够实现燃煤中碱金属含量的在线监测，做出锅炉粘污结渣预报，从而针对性进行优化调整，源头治理，很好的控制锅炉沾污结渣，解决因沾污结焦引起的排烟温度升高问题，实现电厂锅炉燃用高碱煤长周期、安全稳定、经济运行。
4.海水淡化制水车间无人值守平台研发与应用
项目针对乐东公司无人值守、安全巡检方面的需求，结合仿生四足机器人技术、机器视觉技术和深度学习技术等关键技术，研发一套应用于海水淡化制水车间的国产化四足机器狗智能巡视系统，为电厂设备做定点、定期、定时全自动巡检，实现了电厂智能巡视场景的试点示范研究。
海水淡化制水车间安全巡检的执行载体由四足机器狗及其搭载的感知设备构成，相比于普通的轮式移动巡检机器人，四足机器狗具有全地形的移动性，可以适应电厂各种复杂地形，比如上下工业楼梯，爬过障碍物，台阶和空隙以及爬入狭窄的空间。同时四足机器狗具有丰富的扩展接口装置，可以实现视觉、声音、热红外检测，还可扩展气体泄漏、激光测振等其他多种高精度检测功能。平台基于四足机器狗边缘侧AI算法技术，实时检测电厂现场设备的跑冒滴漏等故障问题。后台服务器实时接收、存储管理巡检图像音视频等传感数据，采用超限识别、趋势分析等手段，自动化生产巡检报告。
本创新成果项目的实施落地有效解决人工巡检方式强度大、效率低、危险性高、可靠性差等难题，保障电厂设备正常运行，减少因故障带来的直接经济损失，提高设备运行可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。
主要创新点概述
1.灵活运行背景下锅炉智能吹灰系统研发与应用
本项目以乐东发电有限公司燃煤锅炉为依托合作进行一项示范工程，研究开发一套高精度在线计算数学模型，并以创新的软件架构进行实现。
（1）理论创新
建立“高温管屏屏中烟气辐射传热计算模型”， 对350MW超临界机组高温管屏结构中上行管组与下行管组之间距离拉大的情况进行了模型修正，精准计算炉内高温管组金属壁温，解决了原有亚临界锅炉模型无法适用于超临界机组的问题。
（2）技术创新
系统架构采用“五层平台式架构开发”，电站锅炉的数学模型计算在业务逻辑层（BizLogic），可以快速对新的锅炉PSSS系统进行系统集成和2次开发并调试应用。
2.基于数据融合的设备状态监测和智慧检修系统
（1）多系统平台的有机结合，将现有的SIS系统、一体化平台、精密专项点检数据、寿命管理数据等设备状态与运行数据整合到一个大平台中，打通信息孤岛，实现设备管理相关数据的有效融合的智慧化管控平台。
（2）制定准确的设备状态评价标准、系统风险评估标准和检修决策标准，建立电厂主要设备的风险评估和状态诊断模型，为状态检修决策提供重要依据。
（3）建立起运行历史数据清洗、案例挖掘，在线学习与运行参数优化的运行寻优机制，实现了对运行数据的深度应用，为后期智能控制系统（iDCS）的实施提供研究基础。
（4）建立一套适用于乐东发电有限公司，可推广应用到国家能源集团乃至全国的设备智慧化运行管控系统，系统为设备运行和维护人员提供了安全岛和经济岛两方面的应用功能，实现设备安全性和经济性的最佳平衡，在提高运行管理水平的同时创造良好的经济效益。
3.基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用
（1）实现煤燃烧锅炉内温度及气相Na、K的在线监测，构建“火眼金睛”
根据原子发射光谱技术中碱金属发射谱线强度与温度、气相碱金属浓度的模型，从光谱中计算出火焰温度、气相Na、K浓度，并开发一套适用于煤燃烧锅炉内光谱分析的在线监测软件；实现煤燃烧锅炉内温度及气相Na、K的在线监测。
（2）多因素、多边界条件融合计算，搭建Na、K元素释放的动力学模型
煤燃烧锅炉内气相Na、K在线监测系统安装在燃烧煤的电站锅炉上，实现炉内气相Na、K浓度的在线监测，并将该检测结果输出至机组DCS系统内，供运行人员参考。针对机组在各种运行工况下气相Na、K的在线监测结果，综合考虑燃烧温度、燃料特性、配风、结渣情况、炉内CO浓度等因素对气相Na、K动态释放过程的影响，分析这些因素、边界条件对气相Na、K释放的影响规律，建立煤燃烧锅炉内气相Na、K元素释放的动力学模型。
（3）以碱金属在线监测为基础，多数据耦合构建锅炉结渣预报系统
根据煤燃烧锅炉内气相Na、K释放规律及动力学模型，结合烟气区的结渣形貌、成分分析，研究燃烧区气相Na、K释放对烟气区结渣增长速率的影响规律，建立煤燃烧锅炉结渣的预测模型，并提出通过燃烧优化调整方法，预防或缓解煤燃烧锅炉的结渣问题。使得运行人员在线调整有据可循，而不是“盲调”，真正实现结渣预防。同时可针对性的提出吹灰时间和次数，避免常规化的定期吹灰，造成吹灰蒸汽浪费和降低锅炉四管安全寿命。
4.海水淡化制水车间无人值守平台研发与应用
(1)全国第一台应用于火电厂巡检的四足机器人，极具研究价值和示范意义。
(2)研发适用于火电厂数千平米车间复杂工况环境的SLAM定位导航系统，实现机器人精准定点巡检。
(3)基于深度学习的火电厂跑冒滴漏检测算法及模型。
(4)基于巡检机器人多传感感知融合系统，实现海水淡化水车间滤水系统、水泵、管网等重要设备的高频状态检测。
应用情况及可推广前景简述
1.灵活运行背景下锅炉智能吹灰系统研发与应用
通过本项目的实施，实现了按需吹灰。系统投运后显著减少了由于“垮焦”带来的受热面管壁超温现象，月均超温时间由47.3分钟降低至14分钟，降幅达70%，有效的延长了管壁使用寿命，减少了机组检修时的维修和费用，提高了锅炉生产运行的安全性。项目研究成果具有普适推广价值，对煤电的高效、灵活、智能化高质量发展具有重要意义。
2.基于数据融合的设备状态监测和智慧检修系统
项目已在乐东发电有限公司完成实施，获得良好的应用效果。系统以SIS数据为基础，融合点检数据，并以相关试验和测试数据作为补充，以数据挖掘模型为工具；针对具体设备建立物理模型和运行知识库，进而开展状态监测、健康评估、经济运行分析等；以实现设备异常发现、故障原因预判、检修计划建议的安全分析功能，以及设备运行寻优、运行优化方式建议、影响经济运行因素分析等经济分析和优化功能；确保设备状态全面受控，挖掘设备安全性和经济性的最佳平衡点，为实现电厂设备的全程监控和运行管理水平提供有效和便利的技术途径。
项目针对发电企业设备状态管理的需要，具备可拓展空间，将在市场实践检验中不断改进完善，通过优化提升，满足未来市场应对需要，具有很大的应用前景。
3.基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用
系统投运已超过一年，设备运转良好，能够根据碱金属在线监测浓度变化及时发现煤质的变化并给出结焦预警提示，提升锅炉安全运行水平。下一步计划掺烧不同煤种，进一优化结焦预测报警模型，增强报警系统对不同煤种的适应性。积极参与国家能源集团相关科技活动，与其它火电厂进行技术交流，借此推广应用至国家能源集团其他同类型火电企业。
4.海水淡化制水车间无人值守平台研发与应用
项目通过产、学、研、用合作的协同创新，形成具有完全自主知识产权的火力发电厂海水淡化制水车间区域智能巡检、仿生四足巡检机器人技术，研制成适用于相似生产场景的四足机器人和智能分析巡检平台，推动我国火力发电厂化水车间类似区域设备设施的点巡检、巡护、运维方式的革新，对于提升火力发电厂化水车间类似区域综合运管水平，对推动火力发电行业朝着智慧化方向发展具有积极意义。
经济效益及社会效益情况
1.灵活运行背景下锅炉智能吹灰系统研发与应用
智能吹灰系统投运后，吹灰蒸汽消耗降低至876-1208 吨/月，平均每月1063吨，按原有吹灰策略，锅炉蒸汽消耗量约为 2014 吨/月，较原有吹灰策略节约蒸汽47.3%。汽源设计压力为28 MPa，温度为540 ℃，对应焓值为3266 kJ/kg，锅炉补水温度按20 ℃计，对应焓值为83.96 kJ/kg，锅炉效率按93.97%计，由节约标煤公式：
可计算系统投运后由于减少吹灰蒸汽耗量可节约标煤约1300吨/年，减少二氧化碳排放3444吨/年。同时，系统投运期间锅炉排烟温度没有上升，表明受热面积灰或结渣情况没有恶化。
系统投运后显著减少了由于“垮焦”带来的受热面管壁超温现象，月均超温时间由47.3分钟降低至14分钟，降幅达70%，有效的延长了管壁使用寿命，有利于减少机组检修时的维修和费用，提高了锅炉生产运行的安全性。
同时，可避免因锅炉超温爆管引起的非停所造成的地区经济损失，特别是在夏冬季用电高峰季节，其社会效益和间接经济效益显著。
2.基于数据融合的设备状态监测和智慧检修系统
设备状态监测和智慧检修系统实施后：
（1）提高了乐东发电有限公司设备检修管理水平，从传统的完全计划检修方式提升到计划检修+状态检修+消缺检修的多维度检修方式，构建智慧检修平台，为实现智慧电厂提供重要支撑。
（2）通过智慧检修，提高设备的可靠性，降低设备故障率。
（3）通过智慧运行寻优，提高设备的运行效率，挖掘节能潜力，降低发电成本。
（4）减少了设备诊断分析的人工工作量，使发电企业设备维护人员和管理人员能够将精力投放在更深层的设备寿命预估、动态检修策略制定等方面，从而提升员工的技术水平，培养出更多的现场专家。
3.基于炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结焦防控与节能技术研究应用
炉膛火焰中碱金属在线监测锅炉结渣预报系统从2022年上线试运行以来，产生了客观的效益，具有较高的推广价值：
（1）减少锅炉超温次数约25%，降低蒸汽吹灰器的投运频次，提高锅炉四管的安全性能。（因过度吹损导致的泄露，机组被迫调停检修，检修费用及启机费用约40万元）；
（2）减少因大面积掉焦引起捞渣机异常停运重要缺陷及异常发生率，降低约30%。（捞渣机异常导致降负荷，损失的电量费用约40万元）；
（3）缓解锅炉燃烧器喷口因结焦烧损问题，延长设备使用寿命，降低设备采购支出。（实现结焦预测，吹灰、配煤、燃烧干预等，使得燃烧器喷口因结焦烧损的换新率降低20%，节省4只燃烧器设备更换机施工费用约50万元）；
（4）锅炉结焦问题缓解后，有效降低排烟温度约2~3℃，锅炉效率提高约0.13个百分点，年节约标煤约766吨，节省燃料采购费用约114.95万元。
初步估算所产生或者增加的经济效益约为244.95万元。
（5）社会效益方面：研究成果有效的缓解或解决电站锅炉在燃用高碱煤（如神华煤、印尼煤、新疆煤等）时锅炉易结焦，排烟温度高等问题。有利解决因受热面结焦导致的排烟热损失大，锅炉能耗高等节能问题。较好的降低了因严重结焦导致的锅炉非停事件发生概率，大幅提高安全生产水平。因节约标煤而减少1909.6吨CO2排放，减少57.45吨SO2排放，减少28.7吨NOx排放。项目研究结果可为系统内其他电厂提供借鉴经验。总体来说，项目实施不仅具有很大的经济收益，也具有较好的社会效益，为助力“碳达峰、碳中和”贡献力量，也为绿色中国及节能环保事业添砖加瓦。
4.海水淡化制水车间无人值守平台研发与应用
研发成果成功落地，在海水淡化制水车间区域首创采用四足机器人巡视系统，通过采用基于多传感信息融合的深度学习算法，研发了集红外热像、高清图像、音频和测振多种方式于一体的综合移动感知检测系统，解决了类型多样、检测点位繁多且复杂多变的海水淡化制水车间设备巡检问题，实现了海水淡化制水车间区域海水处理、生活/锅炉给水等设备7*24小时无人智能化监测分析，避免巡检人员责任不到位、漏巡检，或者人员精神不集中、测量不准或判断出错的情况，同时降低因有害化学液体、气体等不可控等因素导致的人员伤害，提升巡检工作效率切实将安全生产落在实处。
项目通过产、学、研、用合作的协同创新，形成具有完全自主知识产权的海水淡化制水车间区域智能巡检仿生四足巡检机器人技术，研制成适用于相似生产场景的四足机器人和智能分析巡检平台，推动我国工业场景类似区域设备设施的点巡检、巡护、运维方式的革新，提升我国工业智能化运管水平。
项目案例获专利及奖励情况
已发表中文核心期刊论文3篇，受理或授权发明专利6项，申请软件著作权3项。
选送单位简介：
国家能源集团乐东发电有限公司成立于2012年5月8日，是海南省“十二五”重点项目，项目建设2×350MW超临界燃煤发电机组，总投资36.8亿元，是国家能源集团在祖国最南端的唯一火电项目。两台机组分别于2015年7月和10月投入商业运营，其中1号机组自开工建设至并网发电历时仅372天，创造了同类型机组建设最快的记录。项目配套建设1个7万吨煤炭泊位，采用海水淡化处理技术提供全厂淡水。DCS控制、等离子点火、布袋除尘、湿式电除尘、脱硫脱硝、海水淡化等系统均采用集团自主产权设备设施，是海南省第一家实现超低排放的发电企业。2018年实施环保协同提标改造后，环保指标一直处于世界领先水平，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别小于1、10、10mg/Nm3，消除烟囱湿烟羽，实现脱硫废水零排放，达到世界先进水平；灰渣、石膏等固体废物实现100%利用，颗粒物及噪声等无组织排放均达标，成为世界最清洁环保的燃煤火电厂。先后荣获集团公司“五星级企业”、中国投资协会2017年度国家优质投资项目奖、海南省第六届精神文明单位、海南省首批健康企业等荣誉称号，1、2号机组相继分别获得南方电网“金牌机组”和全国可靠性对标标杆机组称号。截至2023年2月底，累计发电271.35亿千瓦时，实现利润8.46亿元。
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