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國務院國資委發(fā)布《中央企業(yè)科技創(chuàng)新成果產(chǎn)品手冊(2023年版)》，在“高端裝備”領域，中國華電研制的自主可控重型燃氣輪機控制系統(tǒng)（TCS）成功入選。記者從中國華電了解到，該套TCS已進入推廣應用階段。

當前，我國在運的重型燃氣輪機超過100臺，主要依賴進口。重型燃氣輪機的控制系統(tǒng)與燃氣輪機本體密切相關(guān)，是一項極其復雜、難度極高的控制技術(shù)，也一直由國外燃氣輪機廠家提供，“卡脖子”現(xiàn)象突出。

近年來，中國華電圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，對重型燃氣輪機的保護原理、控制策略、功能算法、控制系統(tǒng)軟硬件設計以及涉網(wǎng)安全運行等方面進行了深入研究，成功研制出了自主可控的TCS,為打破國外技術(shù)壟斷、夯實國家能源安全基礎、實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻了重要力量。

突破重型燃氣輪機控制難題

燃氣發(fā)電是使用天然氣或者其他可燃氣體來發(fā)電的過程。截至2022年底，我國燃氣發(fā)電裝機容量約為1.1355億千瓦，在25.1億千瓦的全國發(fā)電裝機總?cè)萘恐械恼急燃s為4.52%。在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型進程中，煤電受限，新能源發(fā)電不穩(wěn)定，燃氣發(fā)電機組已成為我國保障電力生產(chǎn)供應、進行電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的重要基礎性設施。

燃氣輪機是燃氣發(fā)電的核心設備。按結(jié)構(gòu)形式和輸出功率劃分，可分為微型、輕型和重型三類，重型燃氣輪機功率在50兆瓦以上。按照燃氣工作溫度劃分，可分為E級（約1200℃）、F級（燃氣工作溫度約1400℃）、G/H級（燃氣工作溫度約1500℃）、J級（燃氣工作溫度約1600℃），F(xiàn)級是目前在役的主流機型。

TCS作為控制系統(tǒng)，決定著燃氣輪機的性能和安全。長期以來，TCS的設計、組態(tài)、調(diào)試等相關(guān)核心工作一直由國外燃氣輪機廠家提供，燃氣發(fā)電領域的“卡脖子”現(xiàn)象突出。

2020年以來，中國華電從防范重大技術(shù)裝備“卡脖子”風險、保障國家能源安全和促進產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展的全局出發(fā)，在火電機組核心控制系統(tǒng)自主創(chuàng)新取得突破的基礎上，組織開展了TCS攻關(guān)，成功研制出自主可控的TCS，多項技術(shù)填補了國內(nèi)空白。

近日，記者見到了中國華電TCS的研發(fā)攻關(guān)團隊主要成員，他們向記者講述了創(chuàng)新歷程。

研發(fā)團隊有關(guān)負責人向《國資報告》記者坦言，當時面對TCS攻關(guān)任務，他們既興奮又緊張，興奮的是這項任務意義重大，團隊充滿了“科技報國”的使命感，緊張的是難度高、任務重，面臨著未知挑戰(zhàn)和巨大壓力。

研發(fā)團隊資深專家告訴記者，制約重型燃氣輪機控制系統(tǒng)自主化發(fā)展的主要關(guān)鍵點有兩個，一是平臺，二是控制策略。

平臺方面，傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)難以滿足重型燃氣輪機對實時性、控制精度和可靠性的要求，在復雜應用場景下的中央處理器分散處理單元（DPU）運算速度、伺服控制精度存在明顯不足。

面對上述問題，研發(fā)團隊根據(jù)重型燃氣輪機的運行特性和控制需求，開展針對性的增強設計，將控制器核心版升級到飛騰FT-2000/4 CPU，并同步深度定制TCS專用（輸入輸出）I/O卡件，開發(fā)專用功能算法，全面提升了控制系統(tǒng)的算力、實時性和功能性。

控制策略方面，重型燃氣輪機是典型的復雜多變量強耦合動態(tài)系統(tǒng)，有高溫、高氣流速度、高燃燒強度和高過量空氣系數(shù)的特點，這“四高”也決定了重型燃氣輪機控制策略設計和控制參數(shù)整定的高難度。

面對上述挑戰(zhàn)，研發(fā)團隊充分吸收國內(nèi)外科研學者的研究成果，從重型燃氣輪機機組特性和控制機理出發(fā)，并結(jié)合機組實際運行數(shù)據(jù)，建立了面向重型燃氣輪機控制策略設計及驗證的非線性動態(tài)模型，并通過深度挖掘機組多維度運行狀態(tài)參數(shù)，開發(fā)了重型燃氣輪機控制和保護核心算法與軟件模塊，從而完整構(gòu)建了自主可控的重型燃氣輪機全過程運行控制和保護技術(shù)。

在完成控制系統(tǒng)平臺樣機的試制和控制策略組態(tài)編程后，研發(fā)團隊部署了仿真測試平臺，進行仿真驗證。

“仿真測試是一個不斷深入了解燃氣輪機運行特性、驗證控制策略的過程。充分的仿真測試可以盡量把控制系統(tǒng)存在的問題在現(xiàn)場整套試運前發(fā)現(xiàn)并加以解決，可大大減輕真機試運行的壓力，節(jié)約試運行時間和成本?！毖邪l(fā)團隊開發(fā)設計師說。

應用初見成效

在研發(fā)團隊夜以繼日地攻關(guān)之下，中國華電TCS的自主創(chuàng)新和應用取得了實質(zhì)性突破。

2021年5月25日，國內(nèi)首套自主可控TCS在華電龍游電廠E級重型燃氣輪機成功投運。這標志著中國華電在國內(nèi)率先完整掌握了重型燃氣輪機控制系統(tǒng)的自主設計、生產(chǎn)、調(diào)試、改造等全過程關(guān)鍵技術(shù)，推動了我國重型燃氣輪機控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化發(fā)展。經(jīng)中國電機工程學會專家鑒定，該套TCS燃燒運行狀態(tài)診斷及調(diào)整等技術(shù)處于國際領先水平。

2021年5月25日，國內(nèi)首套自主可控TCS在華電龍游電廠9E級重型燃氣輪機成功投運

在上述突破基礎上，中國華電再接再厲，不斷取得新突破。

2022年3月11日，中國華電在江蘇戚墅堰電廠成功投運國內(nèi)首套F級重型燃氣輪機TCS，實現(xiàn)了從E級到F級的新跨越。系統(tǒng)投運以來，運行情況優(yōu)良，機組啟動時間、啟動成本、負荷穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差等多項重要指標優(yōu)于原系統(tǒng)。

2023年3月8日，被譽為“中國爭氣機”的國內(nèi)首臺全國產(chǎn)化50兆瓦F級重型燃氣輪機（G50）在華電清遠電廠正式投入商業(yè)運行。G50相較于進口機型，整體設計更為完善，控制功能更加全面，對控制系統(tǒng)的要求也相應更高。中國華電TCS為G50進行全工況性能匹配、燃燒調(diào)整及優(yōu)化、熱部件壽命評估等關(guān)鍵技術(shù)的工程驗證提供全方位支持，助推國產(chǎn)重大裝備實現(xiàn)了商業(yè)化應用。

自主可控TCS在國內(nèi)首套全國產(chǎn)G50燃機成功配套應用

2023年12月15日，適用于又一進口型號重型燃氣輪機的TCS在華電戚墅堰電廠投運，中國華電再次取得該領域關(guān)鍵核心技術(shù)重大突破。

“上述項目的成功投運，表明中國華電已具備控制國內(nèi)外不同品牌、各類型重型燃氣輪機的能力。”研發(fā)單位有關(guān)負責人說。

TCS的自主創(chuàng)新和應用具有多方面的意義。記者從研發(fā)單位了解到，首先是實現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟硬件平臺國產(chǎn)化。中國華電自主可控TCS基于國產(chǎn)先進元器件和操作系統(tǒng)開發(fā)，在軟硬件層面擺脫了進口依賴，避免了斷供風險。

其次是掌握了重型燃氣輪機控制關(guān)鍵技術(shù)。中國華電對重型燃氣輪機的熱力學理論、控制策略、保護原理等內(nèi)容進行了深入研究，成功突破了重型燃氣輪機本體控制原理研究與邏輯設計、燃燒壓力脈動監(jiān)測與燃燒調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，具備了對各類型重型燃氣輪機進行安全、穩(wěn)定、精準控制的能力。

第三是具備了自主調(diào)試和運維能力。由于原裝TCS核心模塊層層加密，修改權(quán)限處處設限，系統(tǒng)調(diào)試和運維工作只能求助原TCS廠家，存在運維成本高、服務保障不夠充分等問題。中國華電自主可控TCS對重型燃氣輪機所有控制邏輯、控制回路均可開放權(quán)限，為后續(xù)開展自主維護提供了廣闊空間。

再立新功

創(chuàng)新過程中，中國華電的經(jīng)驗值得借鑒。

在統(tǒng)籌謀劃方面，中國華電把關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)擺在了突出位置，并舉全集團之力推動落實，所屬企業(yè)加強協(xié)同，無條件支持，形成“上下一盤棋”的攻關(guān)合力。

對此研發(fā)團隊資深專家感受很深?！拔覀儼裈CS的研發(fā)梳理出了12項關(guān)鍵技術(shù)，每個點都很難，在研發(fā)過程中，我們由點到線到面，逐步串了起來，這就是一個群策群力的過程。”

比如，在攻關(guān)某進口F級重型燃氣輪機的過程中，啟動裝置的通訊協(xié)議和TCS的通訊協(xié)議不兼容，成為項目攻關(guān)的阻礙。電廠的技術(shù)專家建議，應該先把該燃氣輪機原有啟動裝置的通訊協(xié)議吃透，再與中國華電的TCS相連，實現(xiàn)整體控制。在這一思路的啟發(fā)下，研發(fā)團隊最終通過逐步解析和反復實驗測試，攻克了啟動裝置與TCS通訊的難題。

同時，中國華電開展有效激勵，充分激發(fā)創(chuàng)新活力動力。研發(fā)單位用好“激勵工具包”，優(yōu)先考慮攻關(guān)有功人員評優(yōu)評先，并給予專項獎勵、股權(quán)激勵、崗位分紅，3名研發(fā)骨干被推薦并入選中國華電科技創(chuàng)新領軍人才和青年領軍人才，兌現(xiàn)崗位分紅40余人，給予股權(quán)激勵10余人。

中國華電還通過開展聯(lián)合攻關(guān)，廣泛凝聚產(chǎn)業(yè)鏈合力。中國華電依托央企產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，通過創(chuàng)新聯(lián)合體，與中國電子所屬公司開展聯(lián)合創(chuàng)新，聯(lián)合開發(fā)了多任務并行執(zhí)行的高穩(wěn)定性、高實時性過程控制站，并且在CPU層面有效支撐可信計算3.0標準，滿足更復雜應用場景下對性能和安全可信的需求。

創(chuàng)新過程中，各方按照“持續(xù)優(yōu)化、迭代升級”的工作思路，不斷深化創(chuàng)新聯(lián)合的合作。依托中國華電與中國電子共同成立的聯(lián)合實驗室，從主控板卡研發(fā)、試制、軟件適配、系統(tǒng)調(diào)優(yōu)、綜合聯(lián)調(diào)，到最后的并網(wǎng)運行，始終保持高效合作，打破了產(chǎn)品屬性壁壘，對過程中的問題共同集中解決，在同目標共奮斗的基礎上，保質(zhì)按時運行并網(wǎng)和順利運行，并進行了專項鑒定。

面向未來，中國華電在TCS的自主創(chuàng)新方面還將進行更多的突破。下一步的研究方向是兩個方面：一是豐富平臺功能和提升平臺性能，二是推動控制系統(tǒng)從自主化向智能化方向邁進。比如采用多目標優(yōu)化技術(shù)開展自動燃燒調(diào)整研究，基于人工智能的模型預測控制技術(shù)實現(xiàn)基于模型的控制，等等。

中國華電將進一步加快科技創(chuàng)新成果的應用和推廣?！跋乱徊?，我們將把研究成果繼續(xù)拓展到更多機型應用，盡快實現(xiàn)重型燃氣輪機機組全覆蓋及提供成套解決方案的目標?！毖邪l(fā)單位負責人說。