火力发电厂H级燃机控制系统架构分析与改进

广东粤电滨海湾能源有限公司 欧旭剑

随着社会经济的快速发展，我国对电力供应的需求日益增长，与此同时，国家生态文明建设也在快速推进，国家与民众对环境的要求也日益提高。因此，在电力工业发展的同时需要不断加强环境的保护，坚持科学发展和可持续发展。当前，煤炭仍占据着我国发电能源结构的首位，烟气排放问题仍然存在，为了实现我国电力工业的高质量发展，提高发电效率，减少对环境的影响，是未来电力行业需要解决的重要问题。而基于重型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环发电技术以其高效、清洁、灵活的特点，将成为电力行业的重要发展方向。现阶段，重型燃气轮机均由国外制造，且日益迭代更新，如何及时对其控制部分的技术进行消化与吸收，确保燃气轮机的安全可控运行，是首要之务。

1 燃气-蒸汽联合循环发电技术介绍与发展前景

燃气-蒸汽联合循环是将两个使用不同工质的独立动力循环，通过能量交换联合在一起的循环，兼顾了燃气轮机布雷登循环高温加热的优势，以及汽轮机朗肯循环低温排热损失小的优势，形成了总能系统设计新概念，汇集燃气轮机的先进技术、余热锅炉和汽轮发电机发电的优势，使联合循环的效率提高[1]，其中H级燃机联合循环效率可达60%以上。

在生态环境方面，由于燃气轮机的燃烧效率高，且采用天然气为燃烧物，排气干净，不存在二氧化硫、烟尘、飞灰等排放物，再结合干式低NOx燃烧室或者排气管路安装脱硝装置，可有效减少氮氧化物，使排放物达到严格的环保标准。

因此，燃气-蒸汽联合循环发电技术不仅能提高能源利用效率，还能减少环境污染，是一种可持续发展的发电技术，为打造高质量的电力生产提供有效臂助。

从“十五”期间开始，我国引进美国通用（GE）、德国西门子（Siemens）和日本三菱（Mitsubishi）的大型燃气轮机，截至目前我国已经建成燃气-蒸汽联合循环发电站数百座，总装机容量超过了3000万kW，并且正在不断地增长。随着重型燃机技术的发展，单机容量更大，效率更高，更环保的H级燃机将会成为主流。

2 面临的挑战

GE公司、西门子公司、三菱公司和安萨尔多公司陆续推出了效率更高、更环保的H级重型燃机，该类燃机由国外统一设计与制造。对于H级燃机，国内对此并无太多的应用经验与设备运维经验，其无论是构造上还是工艺控制上，均与以往燃机（E级、F级）有所区别。本文从GE公司的9H级燃机的控制系统架构上进行讨论，并针对其所存在问题，探讨优化方案。

2.1 GE公司H级燃机控制系统Mark Vie的技术架构分析

GE公司燃机控制系统名称为“Mark Vie”，该系统在H级燃机上采用的架构，与以往GE公司F级及以下燃机所采用的控制系统架构均有所不同。

如图1所示，H级燃机Mark Vie系统网络结构可分为三层。UDH（Unit Data Highway）：机组层数据高速公路；PDH（Plant Data Highway）：全厂数据高速公路；MDH（Monitor Data Highway）：监控层数据高速公路。其中，UDH网络如同DCS系统中的实时数据网，用于控制器间的数据传输。全厂各台燃气轮机组、LCI静态变频启动装置（用于燃机启动时的高速盘车控制）分别通过一对控制器组成各个UDH子网，通过根网桥（RB1-1、RB1-2）进行互联。PDH网络如同DCS系统中的上位机网络，用于上位机与控制器，上位机与上位机之间的数据传输。MDH网络主要用于将各PDH网络的数据进行汇总通讯至OSM（在线监测系统），用于机组运行状态分析优化，本文对该部分内容不展开讨论。

图1 GE公司H级燃机控制系统典型网络示意图

图2 方案一网络架构图

在GE的Mark Vie系统中，每台燃气轮机机组配置一套UDH网络，无论是几台机组，最终所有的UDH网络汇总至根网桥（RB1-1、RB1-2）。同时，根网桥与PDH相连，从而实现PDH网络与UDH网络的数据通信。在PDH网络中，GE没有采用类似于艾默生Ovation DCS系统、南京科远DCS系统那样的分布式网络架构，采用了类似于西门子SPPA-T3000系统、ABB Symphony系统的C/S架构。客户端（操作员站、工程师站，GE中称为瘦客户端Thin Client）均由一对控制服务器（GE中称为Control Server）管理。西门子的T3000系统和ABB的Symphony系统，每台机组单独配置服务器与客户端，而GE的Mark Vie系统则是全厂配置一套服务器。

2.2 Mark Vie的典型架构特点

2.2.1 优点

全厂所有的控制子网都进行汇联，数据传输共享便利性提高[2]；全厂两套静态变频启动装置（GE中称为“LCI”）通过根网桥与三台燃机的控制子网进行实时连接，可供全厂三台燃机启动时调用，不需为每台燃机单独配置静态变频启动装置，减少了投资。同时，由统一的控制系统进行不同机组对LCI的有序协同，提高操作与控制的高效性；励磁调节纳入整个MARK VIe控制系统，不存在第三方控制系统，控制一体化提高了数据传输的稳定性与系统维护的便捷性；全厂客户端（操作员站、工程师站）可以进行互换，确保单台客户端故障时可快速切换，不影响运行人员监盘工作。客户端备品可互用，有效减少备品备件的投入。

2.2.2 缺点

全厂网络通过一对根网桥（RB1-1、RB1-2）进行互联，对网络安全提出了较大考验，若出现木马病毒、网络广播风暴等风险，将可能对整个全厂网络造成影响；根网桥（RB1-1、RB1-2）在整个网络中作为UDH网络与PDH网络之间、不同网段UDH与UDH之间连接的桥梁，其重要性不言而喻。若根网桥因为性能故障、供电故障而退出运行，整个网络将瘫痪，将影响到不同控制器之间的数据交换，严重时将影响燃气轮机组的安全运行控制。

控制服务器（Control Server）作为全厂所有客户端的运行管理中心，所有客户端的功能均由服务器的虚机资源实现，若这一对控制服务器因性能故障、供电故障等退出运行，运行人员将对全厂燃机的运行情况的失去监控，若发生异常工况，将无法对燃机的运行进行介入处理，为避免事故的发生，运行人员将不得不手动将燃机关停，从而造成机组的非计划性停运，将给电厂带来较大的经济损失。

控制服务器及根网桥作为全厂燃气轮机控制系统的公用设备，除非全厂机组全停，否则是不存在停机运检机会的，这给设备的可靠性保障带来了挑战。若对控制服务器和根网桥分别进行单机轮流运检，则在运检过程中，另一台设备单机运行，也会严重降低系统运行的可靠性，给全厂燃机运行带来莫大的隐患；任意一台上位机可以操作全厂所有设备，若不进行逻辑闭锁隔离，容易造成运行人员及工程师人员跨机组误操作。

3 H级燃机Mark Vie架构的改进方案

经过上文分析，了解到GE公司H级燃机控制系统在提供控制与监控便利的同时，仍存在着一定的运行可靠性风险。针对上述典型架构的优缺点，笔者结合行业内其他DCS的架构特点和火力发电厂的安全要求，提出两种不同的方案进行改进与补充。

3.1 方案一

从国内的DCS发展历程与功能定位而言，保证机组运行的安全性永远是放在第一位的。因此，若控制系统设备尚未安装，处于方案设计阶段时笔者提出第一种方案。

方案一的网络架构，实际上是目前业内主流的一种分布式网络架构，该种网络架构具有如下特点：每台机组有单独的UDH网络和PDH网络，取消根网桥，不同机组之间的网络绝对隔离；LCI控制器分别接至三台机组的UDH网络；取消了控制服务器（Control Server），操作员站、工程师站具有独立的功能（在GE中称为胖客户端“thick client”），不需要依托于控制服务器。

3.1.1 方案一的优点

不同机组的UDH、PDH网络独立，不存在网络风暴风险，局部网络故障不会造成更大的网络事故；取消了根网桥设备，减少了网络设备故障点，不会因为根网桥故障而导致全厂手动停机；取消了控制服务器，操作员站、工程师站具有高度独立完整性，不受限于一对控制服务器，不会因为控制服务器故障而导致手动停机，分布式配置更具有冗余意义；同一机组的上位机无法操作其他机组，避免了跨机组误操作现象。

3.1.2 方案一的缺点

GE公司在H级燃机控制系统上的典型设计，虽然GE仍能提供支撑该方案的相关硬件，但后续可能无法第一时间享受系统迭代升级、优化，随着H级典型设计控制系统的普及，后续备品备件的采购与维护也将成为难题；LCI的控制中，单独与三台机组的UDH网络相连，需要在LCI控制器上做好协调三台机组启停指令的组态事宜，逻辑设计与调试较复杂。LCI与三台机组控制器的IO点增加，卡件和电缆成本相应增加；不同机组的客户端无法进行互换，需要为每台机组准备客户端的备品。

由于GE公司的H级燃机控制系统是由国外设计，因此采用方案一，需要跟国外工程师进行充分沟通、论证，取得一致意见后，由GE国外团队进行定制化的设计与采购，搭设平台。这势必是一个较长过程，对于项目在基建期的进度将会造成较大影响；由于整个技术架构发生了颠覆性的改变，GE现场服务的控制工程师需要在设计阶段提前介入进来，才能在后续调试过程有充分的技术储备，这个也与GE公司的现场服务安排相冲突，需要协调。

3.2 方案二

方案二的设计思路，则是在GE公司的典型设计基础上进行补充，从而保证更高的系统可靠性和后备手段（如图3所示）。

图3 方案二网络架构图

方案二的特点：对于原GE公司的典型设计部分不做任何更改，正常部署实施；在每个UDH网络基础上，增加独立于控制服务器的人-机接口站（即：胖客户端tthick client）。

方案二优点：thick client不依靠于控制服务器与根网桥，在控制服务器或根网桥发生故障时，运行人员可通过thick client对现场设备进行监控，确保机组运行的安全；当根网桥组成的网络环路发生广播风暴或网络链接断开时，运行人员可通过thick client对现场设备进行监控；由于每个UDH网络均有thick client，那么在进行控制服务器和根网桥的日常运维时，不用担心系统的可靠性降低。

方案二不足：thick client只能在本UDH网段上使用，所以每个UDH网段均需单独配一台thick client，且不能互为备用，设备成本提高；LCI的控制与操作仍需通过根网桥的网络实现，thick client并不能解决该问题。

综上所述，H级燃气轮机作为目前世界最先进的重型燃机，设计与制造技术仍掌握在国外公司的手上，控制系统的设计仍由国外工程师来完成，要对其设计方案进行大规模的改变在当前阶段仍是比较困难的，但对其探索与优化改进的思考不应停止。随着H级燃机在国内的日渐普及，随着在使用过程中提出的而经过实践行之有效的优化方案不断增加，相信也会逐步完善变为国内的典型方案。与此同时，F级燃机控制系统已开始有国产化的范例，可以预见H级燃机控制系统的国产化也是未来必由之路。