美國得克薩斯州極端天氣下電力供應(yīng)不足對閩南地區(qū)火力發(fā)電機(jī)組運行安全的啟示
——以國能神福（石獅）發(fā)電有限公司為例

陳 義

（國能神福（石獅）發(fā)電有限公司，福建 泉州362700）

國能神福（石獅）發(fā)電有限公司（以下簡稱“石獅公司”）的2×1 050 MW火電機(jī)組位于福建省泉州市。該地區(qū)隸屬于閩南地區(qū)，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣溫高，光熱資源豐富。大部分地區(qū)年平均氣溫為19.5～21.0℃，最熱月平均氣溫為26.0～29.0℃，最冷月平均氣溫為9.0～13.0℃，全年基本無霜。美國得克薩斯州（以下簡稱“得州”）屬亞熱帶氣候，全年平均氣溫為20.7℃，五一過后入夏，十一之后入秋。冬無嚴(yán)寒夏無酷暑，冬天溫度低于0.0℃的時長一般為一周左右（多在一月份），晚上氣溫有時會下降到0.0℃以下。綜上所述，得州的常年氣候和福建省閩南地區(qū)類似，具有較強(qiáng)的類比性。

石獅公司規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘繛?×1 050 MW，一期建設(shè)的2×1 050 MW發(fā)電機(jī)組是福建省建成的“首臺百萬千瓦級超超臨界火電機(jī)組”，靜電除塵、選擇性催化還原 （Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝和旋匯耦合器脫硫等環(huán)保設(shè)施與主機(jī)同步建設(shè)投入使用，生產(chǎn)現(xiàn)場65%以上的控制信號通過總線方式布置，技術(shù)指標(biāo)在國內(nèi)同類型電廠中居于領(lǐng)先地位；鍋爐燃燒后排放的灰渣和脫硫吸收塔產(chǎn)生的石膏全部商業(yè)利用，脫硫產(chǎn)生的廢水通過綜合利用、回收，不向系統(tǒng)外排放。

1 美國得克薩斯州2021年初大面積停電事故

受到北極地區(qū)寒流的影響，得州于2021年2月14日晚受到風(fēng)暴襲擊，造成大面積停電事故。大部分火力發(fā)電廠管道內(nèi)介質(zhì)遇冷結(jié)冰無法正常流動，火力發(fā)電廠、燃?xì)怆姀S無法供電導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。得州2月15日大約有250萬戶停電，16日停電家庭上升至400萬戶。在供需極端不平衡的情況下，得州電價瘋狂飆升。根據(jù)管理當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的得州電力可靠性委員會（ERCOT）數(shù)據(jù)顯示，短短幾天內(nèi)，得州批發(fā)電價突破1萬美元/MW·h，相當(dāng)于電價超過10美元/kW·h，約合人民幣65元/kW·h，與平日電價相比增長了近200倍。此外，受低溫及停電影響，得州食品供應(yīng)鏈也受到?jīng)_擊。全州范圍內(nèi)，一些超市因停電關(guān)門，部分居民不得不靠囤積的罐頭食品度日。得州州長格雷格·阿伯特說，受極端天氣和冰點溫度影響，許多使用煤炭、天然氣或風(fēng)力發(fā)電的電廠無法正常運轉(zhuǎn)，電力部門正加緊搶修。ERCOT系統(tǒng)運作事務(wù)高級官員丹·伍德芬說，這種天氣狀況“前所未見……遠(yuǎn)超（系統(tǒng)）為得州典型乃至極端冬季設(shè)計的參數(shù)值”。

得州擁有豐富的發(fā)電能源，根據(jù)公開信息，石油、天然氣是得州最主要的資源，已知石油儲量超過80億桶，約占美國已知供應(yīng)量的1/3，天然氣產(chǎn)量占全美產(chǎn)量的1/4，此外還擁有46億桶（7.3億m3）的原油儲量。得州擁有全美41%的石化產(chǎn)量和28%的風(fēng)能供應(yīng)，平時供電主要靠天然氣和風(fēng)力，還有火電和核電。

誰能想到，一場寒潮剝奪了得州的兩大驕傲。那么，得州作為美國的“能源中心”，為何經(jīng)不起一場寒潮的侵襲？一個解釋是，氣溫驟降讓用電需求暴增，進(jìn)而導(dǎo)致電力供應(yīng)明顯不足。另一個解釋是，很多專家認(rèn)為政府和電力部門沒有對發(fā)電和輸電設(shè)施進(jìn)行防寒升級改造，是造成這次大停電的“人禍”。

2011年，一股相似的寒流曾襲擊得州并造成大停電。但得州政府明知嚴(yán)寒會威脅電力系統(tǒng)，卻任由各私人電力公司決定是否改造設(shè)備，致使多數(shù)公司出于成本考慮并未進(jìn)行改造。

得州在美國最南邊，屬于正常情況下冬季氣溫在20℃以上的地方，但2021年出現(xiàn)了-20℃以下的極端寒潮，導(dǎo)致了部分電力系統(tǒng)癱瘓。作為亞熱帶地區(qū)的得州，缺乏預(yù)防控制火電廠介質(zhì)管道冰堵的監(jiān)控措施。

未來如果世界各地極端天氣頻發(fā)，那么人類的正常生產(chǎn)、生活秩序都將面臨巨大挑戰(zhàn)。2008年我國南方的雪災(zāi)還讓國人記憶猶新，當(dāng)時因災(zāi)死亡129人，經(jīng)濟(jì)損失1 516億元，損壞房屋168.6萬間，受災(zāi)人口超過1億人。要應(yīng)對極端天氣，一定要在電力等公共設(shè)施方面按照最嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝建設(shè)。

2 石獅公司火力發(fā)電設(shè)備遭遇極寒天氣的常見問題

石獅公司處于我國南方地區(qū)，冬季基本上不下雪，電廠設(shè)備在招標(biāo)采購時考慮的最經(jīng)濟(jì)運行環(huán)境溫度在-10~40℃之間，生產(chǎn)系統(tǒng)除了液氨管路和燃油系統(tǒng)外并沒有按照極端寒潮天氣的情況設(shè)計保溫伴熱系統(tǒng)[1]。鍋爐房采用露天布置，燃油管道、熱工取樣管路、給水管道雖然安裝有蒸汽伴熱和保溫棉防護(hù)，但是采購的材料和運行環(huán)境溫度均按照南方氣候環(huán)境考慮，在極端寒潮天氣下不足以抵御超出-10℃的低溫。例如2008年1月3日在我國發(fā)生的大范圍世紀(jì)寒潮，福建省泉州市天氣預(yù)報顯示最低溫度為-10℃，但是石獅公司地處海邊，鍋爐頂層高度達(dá)82 m，海面吹過來的風(fēng)力達(dá)6級，實測鍋爐頂端氣溫降到了-19℃，大大超出了-10~40℃的環(huán)境溫度設(shè)計范圍。

雖然這種百年一遇的極端天氣很少出現(xiàn)，但是在當(dāng)今世界環(huán)境破壞嚴(yán)重、溫室氣體超地球負(fù)荷排放的情況下，極端天氣出現(xiàn)的頻率越來越高，一旦極端寒潮天氣來臨，極有可能造成設(shè)備損壞、機(jī)組停運事故。因此，閩南地區(qū)，或者說我國南方地區(qū)火電機(jī)組在初設(shè)、設(shè)備采購和安裝時，就應(yīng)當(dāng)將設(shè)備設(shè)施抗寒防凍等級提高到北方地區(qū)火電機(jī)組水平，已經(jīng)建成投產(chǎn)運營的機(jī)組應(yīng)當(dāng)結(jié)合等級檢修和機(jī)組調(diào)停，對重點區(qū)域防寒等級薄弱的設(shè)備進(jìn)行有針對性的改造，最終要達(dá)到火力發(fā)電廠的設(shè)備設(shè)施所能抵御的防寒溫度比極端最低氣溫低10℃以上[2]。石獅公司目前應(yīng)對極端寒潮天氣面臨的主要問題如下。

1）海水淡化、脫硫脫硝以及循環(huán)水區(qū)域部分熱工儀表取樣管道未安裝保溫伴熱裝置。

2）廠房區(qū)域部分熱工儀表取樣管道未按照廠家規(guī)范正確安裝伴熱裝置，部分一次閥、二次閥處由于閥門安裝限制導(dǎo)致盤根處保溫不完整，有的儀表管路穿越鍋爐、汽機(jī)房格柵板時未進(jìn)行保溫防護(hù)處理。

3）未考慮到極端寒潮天氣，導(dǎo)致管路伴熱效果不佳，部分伴熱或保溫?fù)p壞后未及時修復(fù)。

4）極端低溫情況下，壓力變送器或壓力表由于內(nèi)充液為普通硅油而出現(xiàn)測量不準(zhǔn)或損壞，出現(xiàn)針型閥由于材料質(zhì)量問題發(fā)生凍裂的情況。

5）鍋爐房六大風(fēng)機(jī)露天布置，未安裝在室內(nèi)并加裝暖氣片。

6）儀用氣和雜用氣儲存罐露天布置，未安裝在室內(nèi)并加裝暖氣片。

7）伸出廠房外的蒸汽排汽管道在極端寒潮天氣存在排汽口附近結(jié)冰問題。

8）部分水管道未采取埋地布置，且未采取保溫伴熱裝置。

9）油儲罐內(nèi)部未安裝電加熱器或蒸汽加熱器。

10）冷一次風(fēng)和冷二次風(fēng)入口未安裝暖風(fēng)器。

3 石獅公司火力發(fā)電設(shè)備面臨極寒天氣的應(yīng)對措施

1）機(jī)組設(shè)備停止運行或處于備用和檢修狀態(tài)時，應(yīng)當(dāng)將內(nèi)部介質(zhì)排盡，防止管道凍結(jié)。

2）寒潮來臨前，部分電氣柜和熱工端子箱內(nèi)可視情況加裝伴熱貼片或碘鎢燈等加熱設(shè)備，保證柜體和端子箱內(nèi)溫度正常。

3）部分不涉及保護(hù)動作的儀表可在極端天氣下關(guān)閉取樣一次閥，臨時拆除儀表，疏水放盡內(nèi)部介質(zhì)[3]。部分重要的儀表和測點，靠海一側(cè)處于迎風(fēng)面，可臨時搭設(shè)腳手架，裝設(shè)防風(fēng)保溫房，起到擋風(fēng)和保暖的作用。主廠房之外其他外圍區(qū)域不涉及保護(hù)的儀表、測點，可以采取開啟排污閥慢滴的方式，使介質(zhì)流動進(jìn)而防凍。

4）已經(jīng)凍結(jié)的管路，在搶修時可以采取敷設(shè)伴熱電纜和電熱毯的方式快速解凍。

5）對于有可能誤動的設(shè)備采取退出保護(hù)的方式。例如主廠房內(nèi)四大主管道的電磁泄壓安全閥帶有壓力測點的控制裝置，壓力測點如果未進(jìn)行保溫伴熱防護(hù)，在寒潮來臨時很容易造成取樣管道凍結(jié)而產(chǎn)生誤動，可以采取關(guān)閉電磁泄壓閥汽源的方式退出保護(hù)。

4 石獅公司火力發(fā)電設(shè)備預(yù)防極寒天氣的改造措施

1）針對火電廠現(xiàn)場不同區(qū)域、重要程度和工藝特點采取分而治之的方式。例如重大危險源氨站可采取熱水坐浴式加熱，或以搭設(shè)屋頂和遮風(fēng)墻但不影響通風(fēng)的方式加強(qiáng)保暖。

2）儀表、測點、管道設(shè)備靠海側(cè)迎風(fēng)面可以搭設(shè)固定式的防風(fēng)措施。

3）汽機(jī)房、氧化風(fēng)機(jī)房、循環(huán)水泵房、磨煤機(jī)密封風(fēng)機(jī)房和海水淡化車間等室內(nèi)窗戶、大門、百葉窗附近的設(shè)備、測點等管路應(yīng)加裝保溫設(shè)施，保證冬季室內(nèi)密封性能良好。

4）伴熱方式優(yōu)先選擇電伴熱，熱水拌熱和蒸汽伴熱雖然成本較低，但是和熱工以及液氨管路捆綁在一起伴熱，距離較長，容易發(fā)生跑冒滴漏現(xiàn)象，維護(hù)成本較高。電伴熱方式一次性投資成本較高，但是運行、維護(hù)費用較低，比較適合閩南地區(qū)使用。需要特別注意的是，在需要防止燃燒和爆炸的區(qū)域應(yīng)選用蒸汽或熱水伴熱，也可選用防爆型的電伴熱帶。

5）對于伴熱溫度要求精度不高的管線，可采取自限溫電伴熱帶。對于火電廠四大主要管道上的取樣管和測點，由于工質(zhì)溫度較高，應(yīng)選用抗高溫型電伴熱帶。

6）設(shè)備改造時，優(yōu)先選用合適的儀表型式，盡量無須伴熱，以達(dá)到節(jié)約能源、減少維護(hù)的目的：一是壓力變送器選用低溫型變送器；二是液位變送器、流量變送器和流量表優(yōu)先選擇非取樣工作原理的設(shè)備，代之以超聲波、電磁等型式；三是基地式氣動門的壓力測量選擇定位器或電動門，防止介質(zhì)受凍閥門誤開。

7）六大風(fēng)機(jī)采取室內(nèi)布置，儀用氣和雜用氣儲存罐采取半室內(nèi)布置（安全閥伸出室外），以室內(nèi)加裝暖氣片的方式進(jìn)行防風(fēng)抗凍。蒸汽系統(tǒng)的排汽口遠(yuǎn)離墻面并設(shè)置保溫，排汽前設(shè)置擴(kuò)容減溫裝置；水管道采取室外埋地的方式，埋地深度要大于凍土層；油儲罐內(nèi)部使用伴熱裝置；在冷風(fēng)吸入口加裝暖風(fēng)器保證合理的進(jìn)風(fēng)溫度。

5 結(jié)束語

鑒于得州部分地區(qū)于2021年2月份遭遇極端天氣造成大面積停電事故，充分說明了保障極端寒潮天氣下的火電廠安全穩(wěn)定運行是一項系統(tǒng)工程，需要采取臨時應(yīng)對的短期策略和設(shè)備設(shè)施改造的長期措施。