火力發電廠H級燃機控制系統架構分析與改進

廣東粵電濱海灣能源有限公司 歐旭劍

隨著社會經濟的快速發展，我國對電力供應的需求日益增長，與此同時，國家生態文明建設也在快速推進，國家與民眾對環境的要求也日益提高。因此，在電力工業發展的同時需要不斷加強環境的保護，堅持科學發展和可持續發展。當前，煤炭仍占據著我國發電能源結構的首位，煙氣排放問題仍然存在，為了實現我國電力工業的高質量發展，提高發電效率，減少對環境的影響，是未來電力行業需要解決的重要問題。而基于重型燃氣輪機的燃氣-蒸汽聯合循環發電技術以其高效、清潔、靈活的特點，將成為電力行業的重要發展方向。現階段，重型燃氣輪機均由國外制造，且日益迭代更新，如何及時對其控制部分的技術進行消化與吸收，確保燃氣輪機的安全可控運行，是首要之務。

1 燃氣-蒸汽聯合循環發電技術介紹與發展前景

燃氣-蒸汽聯合循環是將兩個使用不同工質的獨立動力循環，通過能量交換聯合在一起的循環，兼顧了燃氣輪機布雷登循環高溫加熱的優勢，以及汽輪機朗肯循環低溫排熱損失小的優勢，形成了總能系統設計新概念，匯集燃氣輪機的先進技術、余熱鍋爐和汽輪發電機發電的優勢，使聯合循環的效率提高[1]，其中H級燃機聯合循環效率可達60%以上。

在生態環境方面，由于燃氣輪機的燃燒效率高，且采用天然氣為燃燒物，排氣干凈，不存在二氧化硫、煙塵、飛灰等排放物，再結合干式低NOx燃燒室或者排氣管路安裝脫硝裝置，可有效減少氮氧化物，使排放物達到嚴格的環保標準。

因此，燃氣-蒸汽聯合循環發電技術不僅能提高能源利用效率，還能減少環境污染，是一種可持續發展的發電技術，為打造高質量的電力生產提供有效臂助。

從“十五”期間開始，我國引進美國通用（GE）、德國西門子（Siemens）和日本三菱（Mitsubishi）的大型燃氣輪機，截至目前我國已經建成燃氣-蒸汽聯合循環發電站數百座，總裝機容量超過了3000萬kW，并且正在不斷地增長。隨著重型燃機技術的發展，單機容量更大，效率更高，更環保的H級燃機將會成為主流。

2 面臨的挑戰

GE公司、西門子公司、三菱公司和安薩爾多公司陸續推出了效率更高、更環保的H級重型燃機，該類燃機由國外統一設計與制造。對于H級燃機，國內對此并無太多的應用經驗與設備運維經驗，其無論是構造上還是工藝控制上，均與以往燃機（E級、F級）有所區別。本文從GE公司的9H級燃機的控制系統架構上進行討論，并針對其所存在問題，探討優化方案。

2.1 GE公司H級燃機控制系統Mark Vie的技術架構分析

GE公司燃機控制系統名稱為“Mark Vie”，該系統在H級燃機上采用的架構，與以往GE公司F級及以下燃機所采用的控制系統架構均有所不同。

如圖1所示，H級燃機Mark Vie系統網絡結構可分為三層。UDH（Unit Data Highway）：機組層數據高速公路；PDH（Plant Data Highway）：全廠數據高速公路；MDH（Monitor Data Highway）：監控層數據高速公路。其中，UDH網絡如同DCS系統中的實時數據網，用于控制器間的數據傳輸。全廠各臺燃氣輪機組、LCI靜態變頻啟動裝置（用于燃機啟動時的高速盤車控制）分別通過一對控制器組成各個UDH子網，通過根網橋（RB1-1、RB1-2）進行互聯。PDH網絡如同DCS系統中的上位機網絡，用于上位機與控制器，上位機與上位機之間的數據傳輸。MDH網絡主要用于將各PDH網絡的數據進行匯總通訊至OSM（在線監測系統），用于機組運行狀態分析優化，本文對該部分內容不展開討論。

圖1 GE公司H級燃機控制系統典型網絡示意圖

圖2 方案一網絡架構圖

在GE的Mark Vie系統中，每臺燃氣輪機機組配置一套UDH網絡，無論是幾臺機組，最終所有的UDH網絡匯總至根網橋（RB1-1、RB1-2）。同時，根網橋與PDH相連，從而實現PDH網絡與UDH網絡的數據通信。在PDH網絡中，GE沒有采用類似于艾默生Ovation DCS系統、南京科遠DCS系統那樣的分布式網絡架構，采用了類似于西門子SPPA-T3000系統、ABB Symphony系統的C/S架構。客戶端（操作員站、工程師站，GE中稱為瘦客戶端Thin Client）均由一對控制服務器（GE中稱為Control Server）管理。西門子的T3000系統和ABB的Symphony系統，每臺機組單獨配置服務器與客戶端，而GE的Mark Vie系統則是全廠配置一套服務器。

2.2 Mark Vie的典型架構特點

2.2.1 優點

全廠所有的控制子網都進行匯聯，數據傳輸共享便利性提高[2]；全廠兩套靜態變頻啟動裝置（GE中稱為“LCI”）通過根網橋與三臺燃機的控制子網進行實時連接，可供全廠三臺燃機啟動時調用，不需為每臺燃機單獨配置靜態變頻啟動裝置，減少了投資。同時，由統一的控制系統進行不同機組對LCI的有序協同，提高操作與控制的高效性；勵磁調節納入整個MARK VIe控制系統，不存在第三方控制系統，控制一體化提高了數據傳輸的穩定性與系統維護的便捷性；全廠客戶端（操作員站、工程師站）可以進行互換，確保單臺客戶端故障時可快速切換，不影響運行人員監盤工作。客戶端備品可互用，有效減少備品備件的投入。

2.2.2 缺點

全廠網絡通過一對根網橋（RB1-1、RB1-2）進行互聯，對網絡安全提出了較大考驗，若出現木馬病毒、網絡廣播風暴等風險，將可能對整個全廠網絡造成影響；根網橋（RB1-1、RB1-2）在整個網絡中作為UDH網絡與PDH網絡之間、不同網段UDH與UDH之間連接的橋梁，其重要性不言而喻。若根網橋因為性能故障、供電故障而退出運行，整個網絡將癱瘓，將影響到不同控制器之間的數據交換，嚴重時將影響燃氣輪機組的安全運行控制。

控制服務器（Control Server）作為全廠所有客戶端的運行管理中心，所有客戶端的功能均由服務器的虛機資源實現，若這一對控制服務器因性能故障、供電故障等退出運行，運行人員將對全廠燃機的運行情況的失去監控，若發生異常工況，將無法對燃機的運行進行介入處理，為避免事故的發生，運行人員將不得不手動將燃機關停，從而造成機組的非計劃性停運，將給電廠帶來較大的經濟損失。

控制服務器及根網橋作為全廠燃氣輪機控制系統的公用設備，除非全廠機組全停，否則是不存在停機運檢機會的，這給設備的可靠性保障帶來了挑戰。若對控制服務器和根網橋分別進行單機輪流運檢，則在運檢過程中，另一臺設備單機運行，也會嚴重降低系統運行的可靠性，給全廠燃機運行帶來莫大的隱患；任意一臺上位機可以操作全廠所有設備，若不進行邏輯閉鎖隔離，容易造成運行人員及工程師人員跨機組誤操作。

3 H級燃機Mark Vie架構的改進方案

經過上文分析，了解到GE公司H級燃機控制系統在提供控制與監控便利的同時，仍存在著一定的運行可靠性風險。針對上述典型架構的優缺點，筆者結合行業內其他DCS的架構特點和火力發電廠的安全要求，提出兩種不同的方案進行改進與補充。

3.1 方案一

從國內的DCS發展歷程與功能定位而言，保證機組運行的安全性永遠是放在第一位的。因此，若控制系統設備尚未安裝，處于方案設計階段時筆者提出第一種方案。

方案一的網絡架構，實際上是目前業內主流的一種分布式網絡架構，該種網絡架構具有如下特點：每臺機組有單獨的UDH網絡和PDH網絡，取消根網橋，不同機組之間的網絡絕對隔離；LCI控制器分別接至三臺機組的UDH網絡；取消了控制服務器（Control Server），操作員站、工程師站具有獨立的功能（在GE中稱為胖客戶端“thick client”），不需要依托于控制服務器。

3.1.1 方案一的優點

不同機組的UDH、PDH網絡獨立，不存在網絡風暴風險，局部網絡故障不會造成更大的網絡事故；取消了根網橋設備，減少了網絡設備故障點，不會因為根網橋故障而導致全廠手動停機；取消了控制服務器，操作員站、工程師站具有高度獨立完整性，不受限于一對控制服務器，不會因為控制服務器故障而導致手動停機，分布式配置更具有冗余意義；同一機組的上位機無法操作其他機組，避免了跨機組誤操作現象。

3.1.2 方案一的缺點

GE公司在H級燃機控制系統上的典型設計，雖然GE仍能提供支撐該方案的相關硬件，但后續可能無法第一時間享受系統迭代升級、優化，隨著H級典型設計控制系統的普及，后續備品備件的采購與維護也將成為難題；LCI的控制中，單獨與三臺機組的UDH網絡相連，需要在LCI控制器上做好協調三臺機組啟停指令的組態事宜，邏輯設計與調試較復雜。LCI與三臺機組控制器的IO點增加，卡件和電纜成本相應增加；不同機組的客戶端無法進行互換，需要為每臺機組準備客戶端的備品。

由于GE公司的H級燃機控制系統是由國外設計，因此采用方案一，需要跟國外工程師進行充分溝通、論證，取得一致意見后，由GE國外團隊進行定制化的設計與采購，搭設平臺。這勢必是一個較長過程，對于項目在基建期的進度將會造成較大影響；由于整個技術架構發生了顛覆性的改變，GE現場服務的控制工程師需要在設計階段提前介入進來，才能在后續調試過程有充分的技術儲備，這個也與GE公司的現場服務安排相沖突，需要協調。

3.2 方案二

方案二的設計思路，則是在GE公司的典型設計基礎上進行補充，從而保證更高的系統可靠性和后備手段（如圖3所示）。

圖3 方案二網絡架構圖

方案二的特點：對于原GE公司的典型設計部分不做任何更改，正常部署實施；在每個UDH網絡基礎上，增加獨立于控制服務器的人-機接口站（即：胖客戶端tthick client）。

方案二優點：thick client不依靠于控制服務器與根網橋，在控制服務器或根網橋發生故障時，運行人員可通過thick client對現場設備進行監控，確保機組運行的安全；當根網橋組成的網絡環路發生廣播風暴或網絡鏈接斷開時，運行人員可通過thick client對現場設備進行監控；由于每個UDH網絡均有thick client，那么在進行控制服務器和根網橋的日常運維時，不用擔心系統的可靠性降低。

方案二不足：thick client只能在本UDH網段上使用，所以每個UDH網段均需單獨配一臺thick client，且不能互為備用，設備成本提高；LCI的控制與操作仍需通過根網橋的網絡實現，thick client并不能解決該問題。

綜上所述，H級燃氣輪機作為目前世界最先進的重型燃機，設計與制造技術仍掌握在國外公司的手上，控制系統的設計仍由國外工程師來完成，要對其設計方案進行大規模的改變在當前階段仍是比較困難的，但對其探索與優化改進的思考不應停止。隨著H級燃機在國內的日漸普及，隨著在使用過程中提出的而經過實踐行之有效的優化方案不斷增加，相信也會逐步完善變為國內的典型方案。與此同時，F級燃機控制系統已開始有國產化的范例，可以預見H級燃機控制系統的國產化也是未來必由之路。