美国得克萨斯州极端天气下电力供应不足对闽南地区火力发电机组运行安全的启示——以国能神福（石狮）发电有限公司为例

陈 义

（国能神福（石狮）发电有限公司，福建 泉州362700）

国能神福（石狮）发电有限公司（以下简称“石狮公司”）的2×1 050 MW火电机组位于福建省泉州市。该地区隶属于闽南地区，属亚热带海洋性季风气候，气温高，光热资源丰富。大部分地区年平均气温为19.5～21.0℃，最热月平均气温为26.0～29.0℃，最冷月平均气温为9.0～13.0℃，全年基本无霜。美国得克萨斯州（以下简称“得州”）属亚热带气候，全年平均气温为20.7℃，五一过后入夏，十一之后入秋。冬无严寒夏无酷暑，冬天温度低于0.0℃的时长一般为一周左右（多在一月份），晚上气温有时会下降到0.0℃以下。综上所述，得州的常年气候和福建省闽南地区类似，具有较强的类比性。

石狮公司规划装机总容量为4×1 050 MW，一期建设的2×1 050 MW发电机组是福建省建成的“首台百万千瓦级超超临界火电机组”，静电除尘、选择性催化还原 （Selective Catalytic Reduction，SCR）脱硝和旋汇耦合器脱硫等环保设施与主机同步建设投入使用，生产现场65%以上的控制信号通过总线方式布置，技术指标在国内同类型电厂中居于领先地位；锅炉燃烧后排放的灰渣和脱硫吸收塔产生的石膏全部商业利用，脱硫产生的废水通过综合利用、回收，不向系统外排放。

1 美国得克萨斯州2021年初大面积停电事故

受到北极地区寒流的影响，得州于2021年2月14日晚受到风暴袭击，造成大面积停电事故。大部分火力发电厂管道内介质遇冷结冰无法正常流动，火力发电厂、燃气电厂无法供电导致电网崩溃。得州2月15日大约有250万户停电，16日停电家庭上升至400万户。在供需极端不平衡的情况下，得州电价疯狂飙升。根据管理当地电网的得州电力可靠性委员会（ERCOT）数据显示，短短几天内，得州批发电价突破1万美元/MW·h，相当于电价超过10美元/kW·h，约合人民币65元/kW·h，与平日电价相比增长了近200倍。此外，受低温及停电影响，得州食品供应链也受到冲击。全州范围内，一些超市因停电关门，部分居民不得不靠囤积的罐头食品度日。得州州长格雷格·阿伯特说，受极端天气和冰点温度影响，许多使用煤炭、天然气或风力发电的电厂无法正常运转，电力部门正加紧抢修。ERCOT系统运作事务高级官员丹·伍德芬说，这种天气状况“前所未见……远超（系统）为得州典型乃至极端冬季设计的参数值”。

得州拥有丰富的发电能源，根据公开信息，石油、天然气是得州最主要的资源，已知石油储量超过80亿桶，约占美国已知供应量的1/3，天然气产量占全美产量的1/4，此外还拥有46亿桶（7.3亿m3）的原油储量。得州拥有全美41%的石化产量和28%的风能供应，平时供电主要靠天然气和风力，还有火电和核电。

谁能想到，一场寒潮剥夺了得州的两大骄傲。那么，得州作为美国的“能源中心”，为何经不起一场寒潮的侵袭？一个解释是，气温骤降让用电需求暴增，进而导致电力供应明显不足。另一个解释是，很多专家认为政府和电力部门没有对发电和输电设施进行防寒升级改造，是造成这次大停电的“人祸”。

2011年，一股相似的寒流曾袭击得州并造成大停电。但得州政府明知严寒会威胁电力系统，却任由各私人电力公司决定是否改造设备，致使多数公司出于成本考虑并未进行改造。

得州在美国最南边，属于正常情况下冬季气温在20℃以上的地方，但2021年出现了-20℃以下的极端寒潮，导致了部分电力系统瘫痪。作为亚热带地区的得州，缺乏预防控制火电厂介质管道冰堵的监控措施。

未来如果世界各地极端天气频发，那么人类的正常生产、生活秩序都将面临巨大挑战。2008年我国南方的雪灾还让国人记忆犹新，当时因灾死亡129人，经济损失1 516亿元，损坏房屋168.6万间，受灾人口超过1亿人。要应对极端天气，一定要在电力等公共设施方面按照最严苛的标准进行安装建设。

2 石狮公司火力发电设备遭遇极寒天气的常见问题

石狮公司处于我国南方地区，冬季基本上不下雪，电厂设备在招标采购时考虑的最经济运行环境温度在-10~40℃之间，生产系统除了液氨管路和燃油系统外并没有按照极端寒潮天气的情况设计保温伴热系统[1]。锅炉房采用露天布置，燃油管道、热工取样管路、给水管道虽然安装有蒸汽伴热和保温棉防护，但是采购的材料和运行环境温度均按照南方气候环境考虑，在极端寒潮天气下不足以抵御超出-10℃的低温。例如2008年1月3日在我国发生的大范围世纪寒潮，福建省泉州市天气预报显示最低温度为-10℃，但是石狮公司地处海边，锅炉顶层高度达82 m，海面吹过来的风力达6级，实测锅炉顶端气温降到了-19℃，大大超出了-10~40℃的环境温度设计范围。

虽然这种百年一遇的极端天气很少出现，但是在当今世界环境破坏严重、温室气体超地球负荷排放的情况下，极端天气出现的频率越来越高，一旦极端寒潮天气来临，极有可能造成设备损坏、机组停运事故。因此，闽南地区，或者说我国南方地区火电机组在初设、设备采购和安装时，就应当将设备设施抗寒防冻等级提高到北方地区火电机组水平，已经建成投产运营的机组应当结合等级检修和机组调停，对重点区域防寒等级薄弱的设备进行有针对性的改造，最终要达到火力发电厂的设备设施所能抵御的防寒温度比极端最低气温低10℃以上[2]。石狮公司目前应对极端寒潮天气面临的主要问题如下。

1）海水淡化、脱硫脱硝以及循环水区域部分热工仪表取样管道未安装保温伴热装置。

2）厂房区域部分热工仪表取样管道未按照厂家规范正确安装伴热装置，部分一次阀、二次阀处由于阀门安装限制导致盘根处保温不完整，有的仪表管路穿越锅炉、汽机房格栅板时未进行保温防护处理。

3）未考虑到极端寒潮天气，导致管路伴热效果不佳，部分伴热或保温损坏后未及时修复。

4）极端低温情况下，压力变送器或压力表由于内充液为普通硅油而出现测量不准或损坏，出现针型阀由于材料质量问题发生冻裂的情况。

5）锅炉房六大风机露天布置，未安装在室内并加装暖气片。

6）仪用气和杂用气储存罐露天布置，未安装在室内并加装暖气片。

7）伸出厂房外的蒸汽排汽管道在极端寒潮天气存在排汽口附近结冰问题。

8）部分水管道未采取埋地布置，且未采取保温伴热装置。

9）油储罐内部未安装电加热器或蒸汽加热器。

10）冷一次风和冷二次风入口未安装暖风器。

3 石狮公司火力发电设备面临极寒天气的应对措施

1）机组设备停止运行或处于备用和检修状态时，应当将内部介质排尽，防止管道冻结。

2）寒潮来临前，部分电气柜和热工端子箱内可视情况加装伴热贴片或碘钨灯等加热设备，保证柜体和端子箱内温度正常。

3）部分不涉及保护动作的仪表可在极端天气下关闭取样一次阀，临时拆除仪表，疏水放尽内部介质[3]。部分重要的仪表和测点，靠海一侧处于迎风面，可临时搭设脚手架，装设防风保温房，起到挡风和保暖的作用。主厂房之外其他外围区域不涉及保护的仪表、测点，可以采取开启排污阀慢滴的方式，使介质流动进而防冻。

4）已经冻结的管路，在抢修时可以采取敷设伴热电缆和电热毯的方式快速解冻。

5）对于有可能误动的设备采取退出保护的方式。例如主厂房内四大主管道的电磁泄压安全阀带有压力测点的控制装置，压力测点如果未进行保温伴热防护，在寒潮来临时很容易造成取样管道冻结而产生误动，可以采取关闭电磁泄压阀汽源的方式退出保护。

4 石狮公司火力发电设备预防极寒天气的改造措施

1）针对火电厂现场不同区域、重要程度和工艺特点采取分而治之的方式。例如重大危险源氨站可采取热水坐浴式加热，或以搭设屋顶和遮风墙但不影响通风的方式加强保暖。

2）仪表、测点、管道设备靠海侧迎风面可以搭设固定式的防风措施。

3）汽机房、氧化风机房、循环水泵房、磨煤机密封风机房和海水淡化车间等室内窗户、大门、百叶窗附近的设备、测点等管路应加装保温设施，保证冬季室内密封性能良好。

4）伴热方式优先选择电伴热，热水拌热和蒸汽伴热虽然成本较低，但是和热工以及液氨管路捆绑在一起伴热，距离较长，容易发生跑冒滴漏现象，维护成本较高。电伴热方式一次性投资成本较高，但是运行、维护费用较低，比较适合闽南地区使用。需要特别注意的是，在需要防止燃烧和爆炸的区域应选用蒸汽或热水伴热，也可选用防爆型的电伴热带。

5）对于伴热温度要求精度不高的管线，可采取自限温电伴热带。对于火电厂四大主要管道上的取样管和测点，由于工质温度较高，应选用抗高温型电伴热带。

6）设备改造时，优先选用合适的仪表型式，尽量无须伴热，以达到节约能源、减少维护的目的：一是压力变送器选用低温型变送器；二是液位变送器、流量变送器和流量表优先选择非取样工作原理的设备，代之以超声波、电磁等型式；三是基地式气动门的压力测量选择定位器或电动门，防止介质受冻阀门误开。

7）六大风机采取室内布置，仪用气和杂用气储存罐采取半室内布置（安全阀伸出室外），以室内加装暖气片的方式进行防风抗冻。蒸汽系统的排汽口远离墙面并设置保温，排汽前设置扩容减温装置；水管道采取室外埋地的方式，埋地深度要大于冻土层；油储罐内部使用伴热装置；在冷风吸入口加装暖风器保证合理的进风温度。

5 结束语

鉴于得州部分地区于2021年2月份遭遇极端天气造成大面积停电事故，充分说明了保障极端寒潮天气下的火电厂安全稳定运行是一项系统工程，需要采取临时应对的短期策略和设备设施改造的长期措施。