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    核心提示：如果旋轉機械和鍋爐是電廠強有力的肌肉，那么將無數電廠功能結合起來的控制系統就是電廠的大腦。幸運的是，當控制系統變得不可靠或維護成本過于高昂時，我們可以在電廠中實施大腦移植手術，但首先必須證明這個手術的合理性。

    圖1 新Harquahala發電項目位于亞利桑那州菲尼克斯市西，這一1080MW項目配備了3臺1×1聯合循環機組。其燃氣輪機采用了西門子SGT6-6000G產品，擁有應用于供電高峰的蒸汽噴射功能

　　由MACH Gen LLC所擁有的新Harquahala發電項目（HGP）是一座位于亞利桑那州Maricopa郡的1080 MW聯合循環電廠，距菲尼克斯市約60英里處。HGP于2004年投入商業運營，并在美國西南部商品電力市場上銷售電力給亞利桑那州的公用事業公司。特別在7~11月這個時間段內，該電廠幾乎是連續運行。MACH Gen于兩年前聘請了Competitive Power Ventures公司（CPV）擔任這座電廠的資產管理者，并選中了NAES公司作為運行和維護（O&M）提供商。這座電廠所報告的年度利用率約為30%，這點與美國許多商品燃氣聯合循環電廠沒有什么不同。

　　這座電廠的3臺機組采用獨特的1×1配置方式，以西門子SGT6-6000G（以前的W501G）燃氣輪機為基礎。為了讓大家對本項目有個大致的了解，實際上可以說HGP就是PGE Port Westward 1x1項目乘以3倍（圖1）。這3臺西門子120MW SST6-PAC 3000蒸汽渦輪機均由1個高壓缸和聯合中壓/低壓缸組成。NEM為其供應了三壓式回熱蒸汽發生器（HRSG），盡管這座電廠存在例行的循環運行條件，但該蒸汽發生器也非常出色地保障了自己的無故障運行。

　　圖2 作為T3000控制系統升級工作的一部分，電廠對控制面板的人機界面、監視器以及控制室的布局進行了重新排布。控制面板所占用的面積顯著縮小，而系統能力卻得到了明顯增強。首席O&M技術員Lamont Packer示范了T3000的眾多先進功能

　　這座電廠的凈發熱量處于7100Btu/KWh一級，這使它在效率方面處于食物鏈的頂級。電力通過HGP的23英里輸電線供至Palo Verde 500kV電網，這條線路先連接到Salt River項目的Hassayampa配電站，并終接入Palo Verde電網。其獨特之處在于，這座電廠的配電站和輸電線由Constellation Energy簽約運營，可以認為是一個遵守北美電力可靠性公司（NERC）規章的獨立控制區。

　　其燃氣輪機的另一個獨特之處在于，它具備通過4個噴射噴嘴按高1:1的蒸汽/燃料質量流量比向燃燒室內噴射400psig和650oF的冷再熱蒸汽，將輸出功率提升至頂峰。它可以在10min內帶來每臺額外15MW的輸出功率，這點在滿足西部電力協調委員會提取貯備發電能力很有幫助。

　　西門子一共投產了6臺采用此項技術的G級燃氣輪機，其中3臺就位于HGP。據電廠經理Malcolm Hubbard說，在其團隊調試了這套系統并克服幾項困難后，這套系統工作成效極佳。該機組配置了31名O&M員工管理。

　　腦容量不足的系統

　　電廠運營方在頭幾年運營中所遇到的大挑戰，也許就是作為原先總承包項目合同組成部分而安裝的靈活度不足的Teleperm XP（TXP）控制系統了。商業電廠要依靠低耗熱量、高可用性和對負荷控制信號的靈敏響應來贏利。不幸的是，TXP并不能完成這些任務。反而，過于龐大的控制系統導致脫扣事件發生，以及難于使用的界面和過時調試排錯工具都成了它的特點。如果您在使用控制系統中的恐龍來運行和維護電廠，那么每一項功能看起來都那么緩慢和笨拙。此外，TXP還不能通過配置來滿足新的NERC電子安全性規定。

圖3 燃氣輪機蒸汽冷卻系統的圖形界面

　　HGP員工在2007年下半年所遇到的挑戰，是如何讓MACH Gen和CPV公司相信，用于升級控制系統的投資將因提升電廠的可靠性和可用性而產生合理的回報。這項證明工作不亞于要求自己的老板給自己新配一臺用于工作的計算機，但問題在于要用除計算機使用時間以外的理由來證明這筆支出的合理性。在未經訓練的人看來，HGP升級的效果在他巡視這座電廠時實質上根本顯現不出來，但這種升級對于控制室內有經驗的電廠操作人員來說，卻十分明顯（圖2）。升級還會大幅提升電廠操作人員的效率，因此所有者也有可能更為進取地在電力市場上用這座電廠來競標。

　　采購新大腦

　　電廠員工們采取了計劃周詳的方式，編制了控制裝置升級所帶來的電廠可靠性和可操作性方面的預期改進文檔，以及升級將會在當前高競爭度的電力市場上給電廠帶來的成本優勢。主要的升級要求包括：提高管理HGP復雜資產的能力、配備供操作者和電廠工程師使用的深度定制工具、一套獨立于平臺的解決方案。該方案包含可供員工們在電廠內任何計算機上通過一個瘦客戶機使用各項功能，以及一套可以定制化的強有力工具，為重要的是安裝和操作方面的簡潔性。

　　由于西門子電力集團初供應了這個總承包項目的渦輪機組、HRSG及其他主要設備，很自然HGP向西門子尋求升級路線以求盡量降低成本和縮短停運時間。而且，升級將通過“內部完成”，現有的控制柜和相關系統及組件還可以重復使用，從而大程度減少停運時間和支出。

　　HGP員工所選擇的西門子電力集團先鋒性的電廠控制技術以及升級路徑，就是Power Plant Automation SPPA-T3000，或簡稱T3000。T3000能夠處理所有的電廠自動化任務，包括汽機和燃氣輪機控制、鍋爐保護、所有其他電廠組成部分的集成，以及電廠監測、數據記錄，還有控制室中的人機界面（HMI）（圖3）。

　　 在現有現場控制柜內安裝的SIMATIC S7自動化服務器用于處理I/O例行工作，在配置上采用了電氣隔離的冗余處理器以增加電廠的可靠性。這些充分冗余的兩選一設計方案，降低了處理器故障的發生概率，能夠在故障情況下實現從主要系統向備用系統的無縫切換

　　這也是T3000在G級燃氣輪機上的實施。本文無法詳細描述作者近訪問HGP所目睹的T3000系統強大而令人驚異的功能，也無法展示其令人印象深刻的特色，而且也不能深入探討這套控制系統的內部工作原理。我們的目標是評價通過升級上一代控制裝置包至業界控制系統包，使電廠性能得到顯著改進及經濟性改善后所帶來實實在在的成本優勢。如果您正在糾纏如何從經濟角度證明類似升級的合理性時，那么本案例也許會給您帶來幫助。

　　成本和判斷

　　HGP能夠將數字轉化成有形的升級后預期改進，這些改進同時體現在電廠運行的可靠性和成本降低方面。此外，HGP還能估計出與控制裝置升級相關的更多無形好處。有一些計算是非常直接明了的，而另一些則要求進行一系列理性的判斷才能通過不那么精通技術的業主的檢視。員工們的方法是展示出經濟效益，盡管較難進行準確估算，但經濟效益已經大到可以證明持有資金者所做出投資的正確性。簡而言之，即發現經濟效益是顯著的，并且劃分成了短期和長期的效益以及有形和無形的效益。

　　無形的效益

　　NERC電子安全標準如今已經深植于每一家電廠運營者的心中，其中許多電廠正在發現自己現有的數字控制系統（DCS）并不像他們所希望或預期的那樣安全。一些控制裝置供應商正在為自己的操作系統提供升級或“補丁”，但少數供應商還沒有提供能夠滿足新的安全和報告需要的集成軟件包。

　　雖然難以給這項新的能力標出具體的成本節約效果，但忽視這些標準的不利之處有可能包括罰款，以及在發生電子攻擊時喪失電廠控制功能或導致計劃外停運。而T3000完全符合從CIP-002至CIP-009的NERC標準—而這些特色是TXP可能永遠無法提供的。

　　這些電廠初的TXP控制系統極難實現故障排查工作，經常要求儀表和控制（I&C）工程師或技術人員帶上一臺手提箱大小的“計算機”，深入到電廠內部，將其連接到一臺現場控制柜上才能排除“假脫扣”故障。TXP系統還缺乏采集“次發出”警報的能力，也不具備通過控制系統與汽機設備間的接口Simadyn來反向控制裝置動作的能力。事實上，現有的Simadyn并不能診斷發生的脫扣事件。而T3000更簡潔的體系架構，取消了Simadyn及其陳舊過時的故障排查工具組合，并消滅了沒有次發出事件歷史記錄功能的缺陷。

　　TXP的另一項無形問題，是其給定數量的應用程序處理器（AP）沒有能力滿足未來擴展的需要。這些用在TXP控制系統內的AP用于與I&C軟件間的接口。在電廠增加設備和功能時，原有AP中的一些需要在大量支出條件下進行擴展和優化，但有一些AP已完全占滿了，因此不可能進行擴展。隨著HGP員工繼續給電廠增加新的功能以提升運行性能和效率，就需要更多的AP，但TXP體系架構下進行進一步拓展的潛力較為有限，而采用T3000系統就可以將這些AP從體系架構中取消，打破這一升級的瓶頸。而且，舊有AP的升級工作還要求電廠停運，而新系統體系架構可以實現系統內在的在線擴充（圖5）。