- 業界中國華電：突破“卡脖子”技術 自主可控TCS進入推廣應用階段2024-05-24 來源： | 點擊率：
國務院國資委發布《中央企業科技創新成果產品手冊(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（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與燃氣輪機本體密切相關，是一項極其復雜、難度極高的控制技術，也一直由國外燃氣輪機廠家提供，“卡脖子”現象突出。
近年來，中國華電圍繞國家重大戰略需求，對重型燃氣輪機的保護原理、控制策略、功能算法、控制系統軟硬件設計以及涉網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,為打破國外技術壟斷、夯實國家能源安全基礎、實現“雙碳”目標貢獻了重要力量。
突破重型燃氣輪機控制難題
燃氣發電是使用天然氣或者其他可燃氣體來發電的過程。截至2022年底，我國燃氣發電裝機容量約為1.1355億千瓦，在25.1億千瓦的全國發電裝機總容量中的占比約為4.52%。在能源綠色低碳轉型進程中，煤電受限，新能源發電不穩定，燃氣發電機組已成為我國保障電力生產供應、進行電網調峰調頻的重要基礎性設施。
燃氣輪機是燃氣發電的核心設備。按結構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級是目前在役的主流機型。
TCS作為控制系統，決定著燃氣輪機的性能和安全。長期以來，TCS的設計、組態、調試等相關核心工作一直由國外燃氣輪機廠家提供，燃氣發電領域的“卡脖子”現象突出。
2020年以來，中國華電從防范重大技術裝備“卡脖子”風險、保障國家能源安全和促進產業鏈健康發展的全局出發，在火電機組核心控制系統自主創新取得突破的基礎上，組織開展了TCS攻關，成功研制出自主可控的TCS，多項技術填補了國內空白。
近日，記者見到了中國華電TCS的研發攻關團隊主要成員，他們向記者講述了創新歷程。
研發團隊有關負責人向《國資報告》記者坦言，當時面對TCS攻關任務，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，面臨著未知挑戰和巨大壓力。
研發團隊資深專家告訴記者，制約重型燃氣輪機控制系統自主化發展的主要關鍵點有兩個，一是平臺，二是控制策略。
平臺方面，傳統分散控制系統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，研發團隊根據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，開發專用功能算法，全面提升了控制系統的算力、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系統，有高溫、高氣流速度、高燃燒強度和高過量空氣系數的特點，這“四高”也決定了重型燃氣輪機控制策略設計和控制參數整定的高難度。
面對上述挑戰，研發團隊充分吸收國內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，并結合機組實際運行數據，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模型，并通過深度挖掘機組多維度運行狀態參數，開發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。
在完成控制系統平臺樣機的試制和控制策略組態編程后，研發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存在的問題在現場整套試運前發現并加以解決，可大大減輕真機試運行的壓力，節約試運行時間和成本。”研發團隊開發設計師說。
應用初見成效
在研發團隊夜以繼日地攻關之下，中國華電TCS的自主創新和應用取得了實質性突破。
2021年5月25日，國內首套自主可控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率先完整掌握了重型燃氣輪機控制系統的自主設計、生產、調試、改造等全過程關鍵技術，推動了我國重型燃氣輪機控制系統的國產化發展。經中國電機工程學會專家鑒定，該套TCS燃燒運行狀態診斷及調整等技術處于國際領先水平。
2021年5月25日，國內首套自主可控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首套F級重型燃氣輪機TCS，實現了從E級到F級的新跨越。系統投運以來，運行情況優良，機組啟動時間、啟動成本、負荷穩態調節誤差等多項重要指標優于原系統。
2023年3月8日，被譽為“中國爭氣機”的國內首臺全國產化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、燃燒調整及優化、熱部件壽命評估等關鍵技術的工程驗證提供全方位支持，助推國產重大裝備實現了商業化應用。
自主可控TCS在國內首套全國產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鍵核心技術重大突破。
“上述項目的成功投運，表明中國華電已具備控制國內外不同品牌、各類型重型燃氣輪機的能力。”研發單位有關負責人說。
TCS的自主創新和應用具有多方面的意義。記者從研發單位了解到，首先是實現了控制系統軟硬件平臺國產化。中國華電自主可控TCS基于國產先進元器件和操作系統開發，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鍵技術。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、燃燒壓力脈動監測與燃燒調整等關鍵技術，具備了對各類型重型燃氣輪機進行安全、穩定、精準控制的能力。
第三是具備了自主調試和運維能力。由于原裝TCS核心模塊層層加密，修改權限處處設限，系統調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限，為后續開展自主維護提供了廣闊空間。
再立新功
創新過程中，中國華電的經驗值得借鑒。
在統籌謀劃方面，中國華電把關鍵核心技術攻關擺在了突出位置，并舉全集團之力推動落實，所屬企業加強協同，無條件支持，形成“上下一盤棋”的攻關合力。
對此研發團隊資深專家感受很深。“我們把TCS的研發梳理出了12項關鍵技術，每個點都很難，在研發過程中，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，在攻關某進口F級重型燃氣輪機的過程中，啟動裝置的通訊協議和TCS的通訊協議不兼容，成為項目攻關的阻礙。電廠的技術專家建議，應該先把該燃氣輪機原有啟動裝置的通訊協議吃透，再與中國華電的TCS相連，實現整體控制。在這一思路的啟發下，研發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，充分激發創新活力動力。研發單位用好“激勵工具包”，優先考慮攻關有功人員評優評先，并給予專項獎勵、股權激勵、崗位分紅，3名研發骨干被推薦并入選中國華電科技創新領軍人才和青年領軍人才，兌現崗位分紅40余人，給予股權激勵10余人。
中國華電還通過開展聯合攻關，廣泛凝聚產業鏈合力。中國華電依托央企產業鏈優勢，通過創新聯合體，與中國電子所屬公司開展聯合創新，聯合開發了多任務并行執行的高穩定性、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。
創新過程中，各方按照“持續優化、迭代升級”的工作思路，不斷深化創新聯合的合作。依托中國華電與中國電子共同成立的聯合實驗室，從主控板卡研發、試制、軟件適配、系統調優、綜合聯調，到最后的并網運行，始終保持高效合作，打破了產品屬性壁壘，對過程中的問題共同集中解決，在同目標共奮斗的基礎上，保質按時運行并網和順利運行，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，二是推動控制系統從自主化向智能化方向邁進。比如采用多目標優化技術開展自動燃燒調整研究，基于人工智能的模型預測控制技術實現基于模型的控制，等等。
中國華電將進一步加快科技創新成果的應用和推廣。“下一步，我們將把研究成果繼續拓展到更多機型應用，盡快實現重型燃氣輪機機組全覆蓋及提供成套解決方案的目標。”研發單位負責人說。
