廣東粵電濱海灣能源有限公司 歐旭劍

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對電力供應(yīng)的需求日益增長，與此同時，國家生態(tài)文明建設(shè)也在快速推進(jìn)，國家與民眾對環(huán)境的要求也日益提高。因此，在電力工業(yè)發(fā)展的同時需要不斷加強(qiáng)環(huán)境的保護(hù)，堅持科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，煤炭仍占據(jù)著我國發(fā)電能源結(jié)構(gòu)的首位，煙氣排放問題仍然存在，為了實現(xiàn)我國電力工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，提高發(fā)電效率，減少對環(huán)境的影響，是未來電力行業(yè)需要解決的重要問題。而基于重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)以其高效、清潔、靈活的特點，將成為電力行業(yè)的重要發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，重型燃?xì)廨啓C(jī)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(shù)進(jìn)行消化與吸收，確保燃?xì)廨啓C(jī)的安全可控運行，是首要之務(wù)。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)介紹與發(fā)展前景

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將兩個使用不同工質(zhì)的獨立動力循環(huán)，通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)，兼顧了燃?xì)廨啓C(jī)布雷登循環(huán)高溫加熱的優(yōu)勢，以及汽輪機(jī)朗肯循環(huán)低溫排熱損失小的優(yōu)勢，形成了總能系統(tǒng)設(shè)計新概念，匯集燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)技術(shù)、余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢，使聯(lián)合循環(huán)的效率提高[1]，其中H級燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)60%以上。

在生態(tài)環(huán)境方面，由于燃?xì)廨啓C(jī)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(jié)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(dá)到嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

因此，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)不僅能提高能源利用效率，還能減少環(huán)境污染，是一種可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電技術(shù)，為打造高質(zhì)量的電力生產(chǎn)提供有效臂助。

從“十五”期間開始，我國引進(jìn)美國通用（GE）、德國西門子（Siemens）和日本三菱（Mitsubishi）的大型燃?xì)廨啓C(jī)，截至目前我國已經(jīng)建成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站數(shù)百座，總裝機(jī)容量超過了3000萬kW，并且正在不斷地增長。隨著重型燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單機(jī)容量更大，效率更高，更環(huán)保的H級燃機(jī)將會成為主流。

2 面臨的挑戰(zhàn)

GE公司、西門子公司、三菱公司和安薩爾多公司陸續(xù)推出了效率更高、更環(huán)保的H級重型燃機(jī)，該類燃機(jī)由國外統(tǒng)一設(shè)計與制造。對于H級燃機(jī)，國內(nèi)對此并無太多的應(yīng)用經(jīng)驗與設(shè)備運維經(jīng)驗，其無論是構(gòu)造上還是工藝控制上，均與以往燃機(jī)（E級、F級）有所區(qū)別。本文從GE公司的9H級燃機(jī)的控制系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行討論，并針對其所存在問題，探討優(yōu)化方案。

2.1 GE公司H級燃機(jī)控制系統(tǒng)Mark Vie的技術(shù)架構(gòu)分析

GE公司燃機(jī)控制系統(tǒng)名稱為“Mark Vie”，該系統(tǒng)在H級燃機(jī)上采用的架構(gòu)，與以往GE公司F級及以下燃機(jī)所采用的控制系統(tǒng)架構(gòu)均有所不同。

如圖1所示，H級燃機(jī)Mark Vie系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層。UDH（Unit Data Highway）：機(jī)組層數(shù)據(jù)高速公路；PDH（Plant Data Highway）：全廠數(shù)據(jù)高速公路；MDH（Monitor Data Highway）：監(jiān)控層數(shù)據(jù)高速公路。其中，UDH網(wǎng)絡(luò)如同DCS系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)網(wǎng)，用于控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。全廠各臺燃?xì)廨啓C(jī)組、LCI靜態(tài)變頻啟動裝置（用于燃機(jī)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(wǎng)，通過根網(wǎng)橋（RB1-1、RB1-2）進(jìn)行互聯(lián)。PDH網(wǎng)絡(luò)如同DCS系統(tǒng)中的上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，用于上位機(jī)與控制器，上位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。MDH網(wǎng)絡(luò)主要用于將各PDH網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總通訊至OSM（在線監(jiān)測系統(tǒng)），用于機(jī)組運行狀態(tài)分析優(yōu)化，本文對該部分內(nèi)容不展開討論。

圖1 GE公司H級燃機(jī)控制系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 方案一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在GE的Mark Vie系統(tǒng)中，每臺燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組配置一套UDH網(wǎng)絡(luò)，無論是幾臺機(jī)組，最終所有的UDH網(wǎng)絡(luò)匯總至根網(wǎng)橋（RB1-1、RB1-2）。同時，根網(wǎng)橋與PDH相連，從而實現(xiàn)PDH網(wǎng)絡(luò)與UDH網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。在PDH網(wǎng)絡(luò)中，GE沒有采用類似于艾默生Ovation DCS系統(tǒng)、南京科遠(yuǎn)DCS系統(tǒng)那樣的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用了類似于西門子SPPA-T3000系統(tǒng)、ABB Symphony系統(tǒng)的C/S架構(gòu)?？蛻舳耍ú僮鲉T站、工程師站，GE中稱為瘦客戶端Thin Client）均由一對控制服務(wù)器（GE中稱為Control Server）管理。西門子的T3000系統(tǒng)和ABB的Symphony系統(tǒng)，每臺機(jī)組單獨配置服務(wù)器與客戶端，而GE的Mark Vie系統(tǒng)則是全廠配置一套服務(wù)器。

2.2 Mark Vie的典型架構(gòu)特點

2.2.1 優(yōu)點

全廠所有的控制子網(wǎng)都進(jìn)行匯聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸共享便利性提高[2]；全廠兩套靜態(tài)變頻啟動裝置（GE中稱為“LCI”）通過根網(wǎng)橋與三臺燃機(jī)的控制子網(wǎng)進(jìn)行實時連接，可供全廠三臺燃機(jī)啟動時調(diào)用，不需為每臺燃機(jī)單獨配置靜態(tài)變頻啟動裝置，減少了投資。同時，由統(tǒng)一的控制系統(tǒng)進(jìn)行不同機(jī)組對LCI的有序協(xié)同，提高操作與控制的高效性；勵磁調(diào)節(jié)納入整個MARK VIe控制系統(tǒng)，不存在第三方控制系統(tǒng)，控制一體化提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與系統(tǒng)維護(hù)的便捷性；全廠客戶端（操作員站、工程師站）可以進(jìn)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(jiān)盤工作?？蛻舳藗淦房苫ビ?，有效減少備品備件的投入。

2.2.2 缺點

全廠網(wǎng)絡(luò)通過一對根網(wǎng)橋（RB1-1、RB1-2）進(jìn)行互聯(lián)，對網(wǎng)絡(luò)安全提出了較大考驗，若出現(xiàn)木馬病毒、網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴等風(fēng)險，將可能對整個全廠網(wǎng)絡(luò)造成影響；根網(wǎng)橋（RB1-1、RB1-2）在整個網(wǎng)絡(luò)中作為UDH網(wǎng)絡(luò)與PDH網(wǎng)絡(luò)之間、不同網(wǎng)段UDH與UDH之間連接的橋梁，其重要性不言而喻。若根網(wǎng)橋因為性能故障、供電故障而退出運行，整個網(wǎng)絡(luò)將癱瘓，將影響到不同控制器之間的數(shù)據(jù)交換，嚴(yán)重時將影響燃?xì)廨啓C(jī)組的安全運行控制。

控制服務(wù)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(wù)器的虛機(jī)資源實現(xiàn)，若這一對控制服務(wù)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(jī)的運行情況的失去監(jiān)控，若發(fā)生異常工況，將無法對燃機(jī)的運行進(jìn)行介入處理，為避免事故的發(fā)生，運行人員將不得不手動將燃機(jī)關(guān)停，從而造成機(jī)組的非計劃性停運，將給電廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

控制服務(wù)器及根網(wǎng)橋作為全廠燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的公用設(shè)備，除非全廠機(jī)組全停，否則是不存在停機(jī)運檢機(jī)會的，這給設(shè)備的可靠性保障帶來了挑戰(zhàn)。若對控制服務(wù)器和根網(wǎng)橋分別進(jìn)行單機(jī)輪流運檢，則在運檢過程中，另一臺設(shè)備單機(jī)運行，也會嚴(yán)重降低系統(tǒng)運行的可靠性，給全廠燃機(jī)運行帶來莫大的隱患；任意一臺上位機(jī)可以操作全廠所有設(shè)備，若不進(jìn)行邏輯閉鎖隔離，容易造成運行人員及工程師人員跨機(jī)組誤操作。

3 H級燃機(jī)Mark Vie架構(gòu)的改進(jìn)方案

經(jīng)過上文分析，了解到GE公司H級燃機(jī)控制系統(tǒng)在提供控制與監(jiān)控便利的同時，仍存在著一定的運行可靠性風(fēng)險。針對上述典型架構(gòu)的優(yōu)缺點，筆者結(jié)合行業(yè)內(nèi)其他DCS的架構(gòu)特點和火力發(fā)電廠的安全要求，提出兩種不同的方案進(jìn)行改進(jìn)與補(bǔ)充。

3.1 方案一

從國內(nèi)的DCS發(fā)展歷程與功能定位而言，保證機(jī)組運行的安全性永遠(yuǎn)是放在第一位的。因此，若控制系統(tǒng)設(shè)備尚未安裝，處于方案設(shè)計階段時筆者提出第一種方案。

方案一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實際上是目前業(yè)內(nèi)主流的一種分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有如下特點：每臺機(jī)組有單獨的UDH網(wǎng)絡(luò)和PDH網(wǎng)絡(luò)，取消根網(wǎng)橋，不同機(jī)組之間的網(wǎng)絡(luò)絕對隔離；LCI控制器分別接至三臺機(jī)組的UDH網(wǎng)絡(luò)；取消了控制服務(wù)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(wù)器。

3.1.1 方案一的優(yōu)點

不同機(jī)組的UDH、PDH網(wǎng)絡(luò)獨立，不存在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴風(fēng)險，局部網(wǎng)絡(luò)故障不會造成更大的網(wǎng)絡(luò)事故；取消了根網(wǎng)橋設(shè)備，減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障點，不會因為根網(wǎng)橋故障而導(dǎo)致全廠手動停機(jī)；取消了控制服務(wù)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(wù)器，不會因為控制服務(wù)器故障而導(dǎo)致手動停機(jī)，分布式配置更具有冗余意義；同一機(jī)組的上位機(jī)無法操作其他機(jī)組，避免了跨機(jī)組誤操作現(xiàn)象。

3.1.2 方案一的缺點

GE公司在H級燃機(jī)控制系統(tǒng)上的典型設(shè)計，雖然GE仍能提供支撐該方案的相關(guān)硬件，但后續(xù)可能無法第一時間享受系統(tǒng)迭代升級、優(yōu)化，隨著H級典型設(shè)計控制系統(tǒng)的普及，后續(xù)備品備件的采購與維護(hù)也將成為難題；LCI的控制中，單獨與三臺機(jī)組的UDH網(wǎng)絡(luò)相連，需要在LCI控制器上做好協(xié)調(diào)三臺機(jī)組啟停指令的組態(tài)事宜，邏輯設(shè)計與調(diào)試較復(fù)雜。LCI與三臺機(jī)組控制器的IO點增加，卡件和電纜成本相應(yīng)增加；不同機(jī)組的客戶端無法進(jìn)行互換，需要為每臺機(jī)組準(zhǔn)備客戶端的備品。

由于GE公司的H級燃機(jī)控制系統(tǒng)是由國外設(shè)計，因此采用方案一，需要跟國外工程師進(jìn)行充分溝通、論證，取得一致意見后，由GE國外團(tuán)隊進(jìn)行定制化的設(shè)計與采購，搭設(shè)平臺。這勢必是一個較長過程，對于項目在基建期的進(jìn)度將會造成較大影響；由于整個技術(shù)架構(gòu)發(fā)生了顛覆性的改變，GE現(xiàn)場服務(wù)的控制工程師需要在設(shè)計階段提前介入進(jìn)來，才能在后續(xù)調(diào)試過程有充分的技術(shù)儲備，這個也與GE公司的現(xiàn)場服務(wù)安排相沖突，需要協(xié)調(diào)。

3.2 方案二

方案二的設(shè)計思路，則是在GE公司的典型設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充，從而保證更高的系統(tǒng)可靠性和后備手段（如圖3所示）。

圖3 方案二網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

方案二的特點：對于原GE公司的典型設(shè)計部分不做任何更改，正常部署實施；在每個UDH網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，增加獨立于控制服務(wù)器的人-機(jī)接口站（即：胖客戶端tthick client）。

方案二優(yōu)點：thick client不依靠于控制服務(wù)器與根網(wǎng)橋，在控制服務(wù)器或根網(wǎng)橋發(fā)生故障時，運行人員可通過thick client對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，確保機(jī)組運行的安全；當(dāng)根網(wǎng)橋組成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路發(fā)生廣播風(fēng)暴或網(wǎng)絡(luò)鏈接斷開時，運行人員可通過thick client對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；由于每個UDH網(wǎng)絡(luò)均有thick client，那么在進(jìn)行控制服務(wù)器和根網(wǎng)橋的日常運維時，不用擔(dān)心系統(tǒng)的可靠性降低。

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

綜上所述，H級燃?xì)廨啓C(jī)作為目前世界最先進(jìn)的重型燃機(jī)，設(shè)計與制造技術(shù)仍掌握在國外公司的手上，控制系統(tǒng)的設(shè)計仍由國外工程師來完成，要對其設(shè)計方案進(jìn)行大規(guī)模的改變在當(dāng)前階段仍是比較困難的，但對其探索與優(yōu)化改進(jìn)的思考不應(yīng)停止。隨著H級燃機(jī)在國內(nèi)的日漸普及，隨著在使用過程中提出的而經(jīng)過實踐行之有效的優(yōu)化方案不斷增加，相信也會逐步完善變?yōu)閲鴥?nèi)的典型方案。與此同時，F(xiàn)級燃機(jī)控制系統(tǒng)已開始有國產(chǎn)化的范例，可以預(yù)見H級燃機(jī)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化也是未來必由之路。