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中国华电:突破“卡脖子”技术 自主可控TCS进入推广应用阶段

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-24  浏览次数:2551
近日,国务院国资委发布《中央企业科技创新成果产品手册(2023年版)》,在“高端装备”领域,中国华电研制的自主可控重型燃气轮机控制系统(TCS)成功入选。记者从中国华电了解到,该套TCS已进入推广应用阶段。

当前,我国在运的重型燃气轮机超过100台,主要依赖进口。重型燃气轮机的控制系统与燃气轮机本体密切相关,是一项极其复杂、难度极高的控制技术,也一直由国外燃气轮机厂家提供,“卡脖子”现象突出。

近年来,中国华电围绕国家重大战略需求,对重型燃气轮机的保护原理、控制策略、功能算法、控制系统软硬件设计以及涉网安全运行等方面进行了深入研究,成功研制出了自主可控的TCS,为打破国外技术垄断、夯实国家能源安全基础、实现“双碳”目标贡献了重要力量。

突破重型燃气轮机控制难题

燃气发电是使用天然气或者其他可燃气体来发电的过程。截至2022年底,我国燃气发电装机容量约为1.1355亿千瓦,在25.1亿千瓦的全国发电装机总容量中的占比约为4.52%。在能源绿色低碳转型进程中,煤电受限,新能源发电不稳定,燃气发电机组已成为我国保障电力生产供应、进行电网调峰调频的重要基础性设施。

燃气轮机是燃气发电的核心设备。按结构形式和输出功率划分,可分为微型、轻型和重型三类,重型燃气轮机功率在50兆瓦以上。按照燃气工作温度划分,可分为E级(约1200℃)、F级(燃气工作温度约1400℃)、G/H级(燃气工作温度约1500℃)、J级(燃气工作温度约1600℃),F级是目前在役的主流机型。

TCS作为控制系统,决定着燃气轮机的性能和安全。长期以来,TCS的设计、组态、调试等相关核心工作一直由国外燃气轮机厂家提供,燃气发电领域的“卡脖子”现象突出。

2020年以来,中国华电从防范重大技术装备“卡脖子”风险、保障国家能源安全和促进产业链健康发展的全局出发,在火电机组核心控制系统自主创新取得突破的基础上,组织开展了TCS攻关,成功研制出自主可控的TCS,多项技术填补了国内空白。

近日,记者见到了中国华电TCS的研发攻关团队主要成员,他们向记者讲述了创新历程。

研发团队有关负责人向《国资报告》记者坦言,当时面对TCS攻关任务,他们既兴奋又紧张,兴奋的是这项任务意义重大,团队充满了“科技报国”的使命感,紧张的是难度高、任务重,面临着未知挑战和巨大压力。

研发团队资深专家告诉记者,制约重型燃气轮机控制系统自主化发展的主要关键点有两个,一是平台,二是控制策略。

平台方面,传统分散控制系统难以满足重型燃气轮机对实时性、控制精度和可靠性的要求,在复杂应用场景下的中央处理器分散处理单元(DPU)运算速度、伺服控制精度存在明显不足。

面对上述问题,研发团队根据重型燃气轮机的运行特性和控制需求,开展针对性的增强设计,将控制器核心版升级到飞腾FT-2000/4 CPU,并同步深度定制TCS专用(输入输出)I/O卡件,开发专用功能算法,全面提升了控制系统的算力、实时性和功能性。

控制策略方面,重型燃气轮机是典型的复杂多变量强耦合动态系统,有高温、高气流速度、高燃烧强度和高过量空气系数的特点,这“四高”也决定了重型燃气轮机控制策略设计和控制参数整定的高难度。

面对上述挑战,研发团队充分吸收国内外科研学者的研究成果,从重型燃气轮机机组特性和控制机理出发,并结合机组实际运行数据,建立了面向重型燃气轮机控制策略设计及验证的非线性动态模型,并通过深度挖掘机组多维度运行状态参数,开发了重型燃气轮机控制和保护核心算法与软件模块,从而完整构建了自主可控的重型燃气轮机全过程运行控制和保护技术。

在完成控制系统平台样机的试制和控制策略组态编程后,研发团队部署了仿真测试平台,进行仿真验证。

“仿真测试是一个不断深入了解燃气轮机运行特性、验证控制策略的过程。充分的仿真测试可以尽量把控制系统存在的问题在现场整套试运前发现并加以解决,可大大减轻真机试运行的压力,节约试运行时间和成本。”研发团队开发设计师说。

应用初见成效

在研发团队夜以继日地攻关之下,中国华电TCS的自主创新和应用取得了实质性突破。

2021年5月25日,国内首套自主可控TCS在华电龙游电厂E级重型燃气轮机成功投运。这标志着中国华电在国内率先完整掌握了重型燃气轮机控制系统的自主设计、生产、调试、改造等全过程关键技术,推动了我国重型燃气轮机控制系统的国产化发展。经中国电机工程学会专家鉴定,该套TCS燃烧运行状态诊断及调整等技术处于国际领先水平。

2021年5月25日,国内首套自主可控TCS在华电龙游电厂9E级重型燃气轮机成功投运

在上述突破基础上,中国华电再接再厉,不断取得新突破。

2022年3月11日,中国华电在江苏戚墅堰电厂成功投运国内首套F级重型燃气轮机TCS,实现了从E级到F级的新跨越。系统投运以来,运行情况优良,机组启动时间、启动成本、负荷稳态调节误差等多项重要指标优于原系统。

2023年3月8日,被誉为“中国争气机”的国内首台全国产化50兆瓦F级重型燃气轮机(G50)在华电清远电厂正式投入商业运行。G50相较于进口机型,整体设计更为完善,控制功能更加全面,对控制系统的要求也相应更高。中国华电TCS为G50进行全工况性能匹配、燃烧调整及优化、热部件寿命评估等关键技术的工程验证提供全方位支持,助推国产重大装备实现了商业化应用。

自主可控TCS在国内首套全国产G50燃机成功配套应用

2023年12月15日,适用于又一进口型号重型燃气轮机的TCS在华电戚墅堰电厂投运,中国华电再次取得该领域关键核心技术重大突破。

“上述项目的成功投运,表明中国华电已具备控制国内外不同品牌、各类型重型燃气轮机的能力。”研发单位有关负责人说。

TCS的自主创新和应用具有多方面的意义。记者从研发单位了解到,首先是实现了控制系统软硬件平台国产化。中国华电自主可控TCS基于国产先进元器件和操作系统开发,在软硬件层面摆脱了进口依赖,避免了断供风险。

其次是掌握了重型燃气轮机控制关键技术。中国华电对重型燃气轮机的热力学理论、控制策略、保护原理等内容进行了深入研究,成功突破了重型燃气轮机本体控制原理研究与逻辑设计、燃烧压力脉动监测与燃烧调整等关键技术,具备了对各类型重型燃气轮机进行安全、稳定、精准控制的能力。

第三是具备了自主调试和运维能力。由于原装TCS核心模块层层加密,修改权限处处设限,系统调试和运维工作只能求助原TCS厂家,存在运维成本高、服务保障不够充分等问题。中国华电自主可控TCS对重型燃气轮机所有控制逻辑、控制回路均可开放权限,为后续开展自主维护提供了广阔空间。

再立新功

创新过程中,中国华电的经验值得借鉴。

在统筹谋划方面,中国华电把关键核心技术攻关摆在了突出位置,并举全集团之力推动落实,所属企业加强协同,无条件支持,形成“上下一盘棋”的攻关合力。

对此研发团队资深专家感受很深。“我们把TCS的研发梳理出了12项关键技术,每个点都很难,在研发过程中,我们由点到线到面,逐步串了起来,这就是一个群策群力的过程。”

比如,在攻关某进口F级重型燃气轮机的过程中,启动装置的通讯协议和TCS的通讯协议不兼容,成为项目攻关的阻碍。电厂的技术专家建议,应该先把该燃气轮机原有启动装置的通讯协议吃透,再与中国华电的TCS相连,实现整体控制。在这一思路的启发下,研发团队最终通过逐步解析和反复实验测试,攻克了启动装置与TCS通讯的难题。

同时,中国华电开展有效激励,充分激发创新活力动力。研发单位用好“激励工具包”,优先考虑攻关有功人员评优评先,并给予专项奖励、股权激励、岗位分红,3名研发骨干被推荐并入选中国华电科技创新领军人才和青年领军人才,兑现岗位分红40余人,给予股权激励10余人。

中国华电还通过开展联合攻关,广泛凝聚产业链合力。中国华电依托央企产业链优势,通过创新联合体,与中国电子所属公司开展联合创新,联合开发了多任务并行执行的高稳定性、高实时性过程控制站,并且在CPU层面有效支撑可信计算3.0标准,满足更复杂应用场景下对性能和安全可信的需求。

创新过程中,各方按照“持续优化、迭代升级”的工作思路,不断深化创新联合的合作。依托中国华电与中国电子共同成立的联合实验室,从主控板卡研发、试制、软件适配、系统调优、综合联调,到最后的并网运行,始终保持高效合作,打破了产品属性壁垒,对过程中的问题共同集中解决,在同目标共奋斗的基础上,保质按时运行并网和顺利运行,并进行了专项鉴定。

面向未来,中国华电在TCS的自主创新方面还将进行更多的突破。下一步的研究方向是两个方面:一是丰富平台功能和提升平台性能,二是推动控制系统从自主化向智能化方向迈进。比如采用多目标优化技术开展自动燃烧调整研究,基于人工智能的模型预测控制技术实现基于模型的控制,等等。

中国华电将进一步加快科技创新成果的应用和推广。“下一步,我们将把研究成果继续拓展到更多机型应用,尽快实现重型燃气轮机机组全覆盖及提供成套解决方案的目标。”研发单位负责人说。


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