如果旋轉(zhuǎn)機(jī)械和鍋爐是電廠強(qiáng)有力的肌肉，那么將無數(shù)電廠功能高效結(jié)合起來的控制系統(tǒng)就是電廠的大腦。幸運(yùn)的是，當(dāng)控制系統(tǒng)變得不可靠或維護(hù)成本過于高昂時(shí)，我們可以在電廠中實(shí)施大腦移植手術(shù)，但首先必須證明這個(gè)手術(shù)的合理性。

　　由MACH Gen LLC所擁有的新Harquahala發(fā)電項(xiàng)目（HGP）是一座位于亞利桑那州Maricopa郡的1080 MW聯(lián)合循環(huán)電廠，距菲尼克斯市約60英里處。HGP于2004年投入商業(yè)運(yùn)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(yè)公司。特別在7~11月這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，該電廠幾乎是連續(xù)運(yùn)行。MACH Gen于兩年前聘請了Competitive Power Ventures公司（CPV）擔(dān)任這座電廠的資產(chǎn)管理者，并選中了NAES公司作為運(yùn)行和維護(hù)（O&M）提供商。這座電廠所報(bào)告的年度利用率約為30%，這點(diǎn)與美國許多商品燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電廠沒有什么不同。

　　這座電廠的3臺(tái)機(jī)組采用獨(dú)特的1×1配置方式，以西門子SGT6-6000G（以前的W501G）燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)。為了讓大家對本項(xiàng)目有個(gè)大致的了解，實(shí)際上可以說HGP就是PGE Port Westward 1x1項(xiàng)目乘以3倍（圖1）。這3臺(tái)西門子120MW SST6-PAC 3000蒸汽渦輪機(jī)均由1個(gè)高壓缸和聯(lián)合中壓/低壓缸組成。NEM為其供應(yīng)了三壓式回?zé)嵴羝l(fā)生器（HRSG），盡管這座電廠存在例行的循環(huán)運(yùn)行條件，但該蒸汽發(fā)生器也非常出色地保障了自己的無故障運(yùn)行。

　　　這座電廠的凈發(fā)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(wǎng)，這條線路先連接到Salt River項(xiàng)目的Hassayampa配電站，并最終接入Palo Verde電網(wǎng)。其獨(dú)特之處在于，這座電廠的配電站和輸電線由Constellation Energy簽約運(yùn)營，可以認(rèn)為是一個(gè)遵守北美電力可靠性公司（NERC）規(guī)章的獨(dú)立控制區(qū)。

　　其燃?xì)廨啓C(jī)的另一個(gè)獨(dú)特之處在于，它具備通過4個(gè)噴射噴嘴按最高1:1的蒸汽/燃料質(zhì)量流量比向燃燒室內(nèi)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(nèi)帶來每臺(tái)額外15MW的輸出功率，這點(diǎn)在滿足西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)提取貯備發(fā)電能力很有幫助。

　　西門子一共投產(chǎn)了6臺(tái)采用此項(xiàng)技術(shù)的G級燃?xì)廨啓C(jī)，其中3臺(tái)就位于HGP。據(jù)電廠經(jīng)理Malcolm Hubbard說，在其團(tuán)隊(duì)調(diào)試了這套系統(tǒng)并克服幾項(xiàng)困難后，這套系統(tǒng)工作成效極佳。該機(jī)組配置了31名O&M員工管理。

　　腦容量不足的系統(tǒng)

　　電廠運(yùn)營方在頭幾年運(yùn)營中所遇到的最大挑戰(zhàn)，也許就是作為原先總承包項(xiàng)目合同組成部分而安裝的靈活度不足的Teleperm XP（TXP）控制系統(tǒng)了。商業(yè)電廠要依靠低耗熱量、高可用性和對負(fù)荷控制信號的靈敏響應(yīng)來贏利。不幸的是，TXP并不能完成這些任務(wù)。反而，過于龐大的控制系統(tǒng)導(dǎo)致脫扣事件發(fā)生，以及難于使用的界面和過時(shí)調(diào)試排錯(cuò)工具都成了它的特點(diǎn)。如果您在使用控制系統(tǒng)中的恐龍來運(yùn)行和維護(hù)電廠，那么每一項(xiàng)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(guī)定。

　　HGP員工在2007年下半年所遇到的挑戰(zhàn)，是如何讓MACH Gen和CPV公司相信，用于升級控制系統(tǒng)的投資將因提升電廠的可靠性和可用性而產(chǎn)生合理的回報(bào)。這項(xiàng)證明工作不亞于要求自己的老板給自己新配一臺(tái)用于工作的計(jì)算機(jī)，但問題在于要用除計(jì)算機(jī)使用時(shí)間以外的理由來證明這筆支出的合理性。在未經(jīng)訓(xùn)練的人看來，HGP升級的效果在他巡視這座電廠時(shí)實(shí)質(zhì)上根本顯現(xiàn)不出來，但這種升級對于控制室內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的電廠操作人員來說，卻十分明顯（圖2）。升級還會(huì)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(jìn)取地在電力市場上用這座電廠來競標(biāo)。

　　采購新大腦

　　電廠員工們采取了計(jì)劃周詳?shù)姆绞?，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(yù)期改進(jìn)文檔，以及升級將會(huì)在當(dāng)前高競爭度的電力市場上給電廠帶來的成本優(yōu)勢。主要的升級要求包括：提高管理HGP復(fù)雜資產(chǎn)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(dú)立于平臺(tái)的解決方案。該方案包含可供員工們在電廠內(nèi)任何計(jì)算機(jī)上通過一個(gè)瘦客戶機(jī)使用各項(xiàng)功能，以及一套可以定制化的強(qiáng)有力工具，最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(tuán)最初供應(yīng)了這個(gè)總承包項(xiàng)目的渦輪機(jī)組、HRSG及其主要設(shè)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(yùn)時(shí)間。而且，升級將通過“內(nèi)部完成”，現(xiàn)有的控制柜和相關(guān)系統(tǒng)及組件還可以重復(fù)使用，從而最大程度減少停運(yùn)時(shí)間和支出。

　　HGP員工所選擇的西門子電力集團(tuán)先鋒性的電廠控制技術(shù)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(dòng)化任務(wù)，包括汽機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)控制、鍋爐保護(hù)、所有其他電廠組成部分的集成，以及電廠監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄，還有控制室中的人機(jī)界面（HMI）（圖3）。

　　 在現(xiàn)有現(xiàn)場控制柜內(nèi)安裝的SIMATIC S7自動(dòng)化服務(wù)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(shè)計(jì)方案，降低了處理器故障的發(fā)生概率，能夠在故障情況下實(shí)現(xiàn)從主要系統(tǒng)向備用系統(tǒng)的無縫切換

　　這也是T3000在G級燃?xì)廨啓C(jī)上的首次實(shí)施。本文無法詳細(xì)描述作者最近訪問HGP所目睹的T3000系統(tǒng)強(qiáng)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(tǒng)的內(nèi)部工作原理。我們的目標(biāo)是評價(jià)通過升級上一代控制裝置包至業(yè)界頂尖控制系統(tǒng)包，使電廠性能得到顯著改進(jìn)及經(jīng)濟(jì)性改善后所帶來實(shí)實(shí)在在的成本優(yōu)勢。如果您正在糾纏如何從經(jīng)濟(jì)角度證明類似升級的合理性時(shí)，那么本案例也許會(huì)給您帶來幫助。

　　成本和判斷

　　HGP能夠?qū)?shù)字轉(zhuǎn)化成有形的升級后預(yù)期改進(jìn)，這些改進(jìn)同時(shí)體現(xiàn)在電廠運(yùn)行的可靠性和成本降低方面。此外，HGP還能估計(jì)出與控制裝置升級相關(guān)的更多無形好處。有一些計(jì)算是非常直接明了的，而另一些則要求進(jìn)行一系列理性的判斷才能通過不那么精通技術(shù)的業(yè)主的檢視。員工們的方法是展示出經(jīng)濟(jì)效益，盡管較難進(jìn)行準(zhǔn)確估算，但經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)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(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)如今已經(jīng)深植于每一家電廠運(yùn)營者的心中，其中許多電廠正在發(fā)現(xiàn)自己現(xiàn)有的數(shù)字控制系統(tǒng)（DCS）并不像他們所希望或預(yù)期的那樣安全。一些控制裝置供應(yīng)商正在為自己的操作系統(tǒng)提供升級或“補(bǔ)丁”，但少數(shù)供應(yīng)商還沒有提供能夠滿足新的安全和報(bào)告需要的集成軟件包。

　　雖然難以給這項(xiàng)新的能力標(biāo)出具體的成本節(jié)約效果，但忽視這些標(biāo)準(zhǔn)的不利之處有可能包括罰款，以及在發(fā)生電子攻擊時(shí)喪失電廠控制功能或?qū)е掠?jì)劃外停運(yùn)。而T3000完全符合從CIP-002至CIP-009的NERC標(biāo)準(zhǔn)—而這些特色是TXP可能永遠(yuǎn)無法提供的。

　　這些電廠最初的TXP控制系統(tǒng)極難實(shí)現(xiàn)故障排查工作，經(jīng)常要求儀表和控制（I&C）工程師或技術(shù)人員帶上一臺(tái)手提箱大小的“計(jì)算機(jī)”，深入到電廠內(nèi)部，將其連接到一臺(tái)現(xiàn)場控制柜上才能排除“假脫扣”故障。TXP系統(tǒng)還缺乏采集“第一次發(fā)出”警報(bào)的能力，也不具備通過控制系統(tǒng)與汽機(jī)設(shè)備間的接口Simadyn來反向追蹤控制裝置動(dòng)作的能力。事實(shí)上，現(xiàn)有的Simadyn并不能診斷發(fā)生的脫扣事件。而T3000更簡潔的體系架構(gòu)，徹底取消了Simadyn及其陳舊過時(shí)的故障排查工具組合，并消滅了沒有第一次發(fā)出事件歷史記錄功能的缺陷。

　　TXP的另一項(xiàng)無形問題，是其給定數(shù)量的應(yīng)用程序處理器（AP）沒有能力滿足未來擴(kuò)展的需要。這些用在TXP控制系統(tǒng)內(nèi)的AP用于與I&C軟件間的接口。在電廠增加設(shè)備和功能時(shí)，原有AP中的一些需要在大量支出條件下進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化，但有一些AP已完全占滿了，因此不可能進(jìn)行擴(kuò)展。隨著HGP員工繼續(xù)給電廠增加新的功能以提升運(yùn)行性能和效率，就需要更多的AP，但TXP體系架構(gòu)下進(jìn)行進(jìn)一步拓展的潛力較為有限，而采用T3000系統(tǒng)就可以將這些AP從體系架構(gòu)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(yùn)，而新系統(tǒng)體系架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)在的在線擴(kuò)充（圖5）。

長期的無形效益

　　開發(fā)T3000系統(tǒng)的目的，是推出大為簡化的用戶和工程設(shè)計(jì)界面，并且實(shí)現(xiàn)在任何終端上對所有用戶開發(fā)屏幕的簡便訪問。事實(shí)上，其HMI界面允許操作者將自己的偏好，包括屏幕色彩在內(nèi)和報(bào)告配置方案存儲(chǔ)到一個(gè)與用戶名稱相關(guān)聯(lián)的特定用戶設(shè)置內(nèi)。當(dāng)您當(dāng)班登錄時(shí)，您自己的定制屏幕組合將顯示出來。這種靈活的設(shè)計(jì)方式，有效地加快了運(yùn)行控制裝置技術(shù)人員的培訓(xùn)工作，減少了對供應(yīng)商客戶支持的依賴。

　　我最喜歡的特色，是電廠內(nèi)擁有終端的任意人可訪問的巨量信息以優(yōu)秀的組織方式進(jìn)行存儲(chǔ)。只需用鼠標(biāo)兩次點(diǎn)擊，就可訪問任何系統(tǒng)屏幕。另外，操作者可以在任何時(shí)間段內(nèi)為電廠內(nèi)的任意變量組合繪制趨勢圖，只需從流程圖上將這些變量名稱拖放至一個(gè)新的趨勢圖窗口并選擇時(shí)間坐標(biāo)即可。整個(gè)性能數(shù)據(jù)庫歷史記錄也是在線的，從服務(wù)器上只需點(diǎn)擊幾次鼠標(biāo)即可立即訪問。

　　T3000還為電廠提供了擴(kuò)展的支持服務(wù)，涉及對控制系統(tǒng)邏輯改變的創(chuàng)建、測試和實(shí)施工作。為了實(shí)現(xiàn)電廠優(yōu)化、系統(tǒng)保護(hù)或人員安全，邏輯改變有必要定期執(zhí)行。TXP系統(tǒng)中并沒有能夠在這邏輯改變投入使用之前，對其進(jìn)行測試的程序，因此要求電廠停機(jī)才能進(jìn)行安裝和測試。而T3000允許在仿真T3000程序上做出這些邏輯改變并執(zhí)行這些改變。這個(gè)程序?qū)⒆詣?dòng)識(shí)別和標(biāo)出所有邏輯缺陷，讓工程師有機(jī)會(huì)做出修正，從而杜絕電廠發(fā)生意外事件。

　　T3000超越TXP的另一項(xiàng)巨大優(yōu)點(diǎn)，是其可以在一個(gè)瘦客戶機(jī)上運(yùn)行。這樣就可以從電廠內(nèi)部或外部的任何PC機(jī)上通過以太網(wǎng)連接（如果允許）使用完整的程序，并允許脫離控制室實(shí)現(xiàn)設(shè)施的遠(yuǎn)程操作。這項(xiàng)能力對于想滿足NERC標(biāo)準(zhǔn)的所有輸電操作員來說，都是必要的。而HGP有可能在未來按要求遵守這些標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠漭旊娋€路和核電站均為NERC控制區(qū)域。目前，HGP正繼續(xù)就NERC標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)展開談判。

　　有形的效益

　　T3000還完全消除了對Simadyn的需要，避免了其所有的小缺點(diǎn)和復(fù)雜性，而且顯著簡化的系統(tǒng)體系架構(gòu)還改善了電廠的可靠性，但改善幅度有多大卻較難具體指明，仍需要進(jìn)行一些估算。請注意，這些數(shù)字是具體對應(yīng)于HGP的一般估算值。

　　第一項(xiàng)有形的效益，是T3000將控制系統(tǒng)所必需的PC機(jī)數(shù)量從16臺(tái)減少到了10臺(tái)。而一臺(tái)用于運(yùn)行TXP的典型PC機(jī)采購價(jià)格處于5000美元這一級別，而在幾乎5年的運(yùn)行之后，每年都要更換其中幾臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)。相反，T3000系統(tǒng)采用了可以從任意計(jì)算機(jī)供應(yīng)商處采購的標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)。經(jīng)HGP計(jì)算得出，在計(jì)算機(jī)采購和維護(hù)成本方面的節(jié)約額度處于每年20?000美元的級別上。

　　HGP員工還計(jì)算出了過去4年間直接歸屬于Simadyn系統(tǒng)的維護(hù)工作量。此項(xiàng)數(shù)據(jù)直接從電廠的計(jì)算機(jī)化維護(hù)管理系統(tǒng)中取得，然后乘以加權(quán)的員工和承包商小時(shí)成本。據(jù)估算，在減少人力成本方面，節(jié)約額度每年總計(jì)約為10?000美元。而且，較少的計(jì)算機(jī)和AP的取消，就意味著較少的附加工作負(fù)擔(dān)。這方面每年的節(jié)約額度約為3000美元。

　　此外，通過采用T3000使HGP減少了TXP所造成的電廠脫扣事件。在T3000升級前的3年中，這座電廠發(fā)生了12次直接歸綹于TXP邏輯問題或TXP鎖定用戶界面而阻止電廠員工防止機(jī)組脫扣或自動(dòng)減負(fù)荷的事件。這12次脫扣等同于75次啟動(dòng)，也就是等同于每年25次啟動(dòng)。為了做出對比，假設(shè)這些機(jī)組脫扣事件中僅有一半會(huì)在采用T3000的情況下避免，則此項(xiàng)計(jì)算可以得出TXP導(dǎo)致了每年增加12.5次額外等同啟動(dòng)，也就等于每年約200?000美元的額外支出。

　　以上所述的與Simadyn相關(guān)的脫扣也應(yīng)該能夠得到避免。在T3000升級之前的3年期間，4次脫扣直接歸綹于Simadyn主系統(tǒng)的脫扣，并導(dǎo)致了總計(jì)45次的等同啟動(dòng)。這些每年15次的等同啟動(dòng)，相當(dāng)于每年約240?000美元的額外運(yùn)行支出。

　　最后，TXP系統(tǒng)的復(fù)雜度及難于使用的用戶界面也影響了電廠長期維修協(xié)議（LTSA）下所發(fā)生的成本。盡管這方面的計(jì)算相對復(fù)雜一些，但HGP測算出T3000會(huì)在以后5年間減少每年平均約100?000美元的LTSA成本。盡管此項(xiàng)計(jì)算的詳細(xì)內(nèi)容屬于專有信息，但這里只作為一項(xiàng)T3000能夠給未來電廠運(yùn)營帶來效益的優(yōu)秀示例。在采用TXP系統(tǒng)時(shí)，一項(xiàng)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電廠脫扣—汽機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的真空破壞器打開。而在采用T3000時(shí)，就有可能做到打開一個(gè)真空破壞器，而燃?xì)廨啓C(jī)將降低負(fù)荷但繼續(xù)在數(shù)分鐘內(nèi)保持同步轉(zhuǎn)速，然后將保持穩(wěn)態(tài)，以便在故障快速清除后恢復(fù)與電網(wǎng)的同步。這種恢復(fù)運(yùn)行的邏輯設(shè)計(jì)，顯著減少了由于燃?xì)廨啓C(jī)所引發(fā)的等同啟動(dòng)次數(shù)，并防止了完全的機(jī)組脫扣事件的發(fā)生。

　　總之，升級至T3000系統(tǒng)的效益超過了每年500?000美元，從而充分證明了HGP將此套系統(tǒng)投入使用的正確性。本文所述的每一項(xiàng)成本組成要素，并不一定能夠適用于每一家正在考慮做出類似升級的聯(lián)合循環(huán)電廠，而且其他電廠肯定還存在著其他成本問題；但是，HGP證明此類升級成本合理性的方法對于其他正在考慮類似升級的電廠應(yīng)當(dāng)是有用的。

　　真實(shí)結(jié)果報(bào)告

　　HGP于2007年11月15日向西門子發(fā)出了一份T3000控制裝置升級的采購訂單，此項(xiàng)升級工作于2008年5月5日完成并投入使用?？梢钥吹絋3000系統(tǒng)是非常新型的系統(tǒng)，HGP項(xiàng)目也是此系統(tǒng)在G級燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)電廠中的第一次應(yīng)用。在本案例中，這就意味著HGP再次在經(jīng)濟(jì)績效方面領(lǐng)先于業(yè)界。

　　預(yù)測結(jié)果是一場數(shù)字游戲，但根據(jù)這些預(yù)測所采取的行動(dòng)可區(qū)分出商品電力行業(yè)的嬉皮士與搖滾巨星。自從T3000投入運(yùn)行后，運(yùn)行和性能統(tǒng)計(jì)數(shù)字得到了顯著改善。但是，電廠員工將其全部歸功于T3000也并不公平。Hubbard指出，并非電廠性能的所有改善都可以直接歸功于T3000。統(tǒng)計(jì)數(shù)字改善的大多數(shù)應(yīng)當(dāng)歸功于此次升級，他的員工們在同一時(shí)期還完成了許多其他可靠性改進(jìn)項(xiàng)目。

　　深入了解T3000

　　SPPA T3000分散控制系統(tǒng)（DCS）采用了一種區(qū)分明確的3層式體系架構(gòu)，以如今可以在絕大多數(shù)家庭和辦公室商業(yè)應(yīng)用程序看到的客戶機(jī)/服務(wù)器組網(wǎng)及信息管理概念為基礎(chǔ)。這種體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方案使所有電廠數(shù)據(jù)從本質(zhì)上來講，可在任意時(shí)間和任意終端上操作，以及用于工程設(shè)計(jì)或診斷，并且不再需要經(jīng)典DCS中可看到的必需子系統(tǒng)。

　　T3000完全以XML和Java為基礎(chǔ)，從而可以執(zhí)行任意應(yīng)用程序，并能在不受操作系統(tǒng)或硬件平臺(tái)兼容性問題限制下提供結(jié)果。

　　　　這種結(jié)構(gòu)的重要優(yōu)點(diǎn)之一，就是瘦客戶機(jī)完全獨(dú)立于任何應(yīng)用程序。這種3層式的結(jié)構(gòu)，還方便了迅速簡便的升級或升級管理。它可以簡便地更換系統(tǒng)內(nèi)的任何組成部件，而無需向PC機(jī)提供新軟件版本。通過簡單地用新版本來更新服務(wù)器，客戶機(jī)就能從安裝時(shí)刻起，自動(dòng)采用新版本來工作。

　　這種體系架構(gòu)還可以允許主處理器重啟而不擾亂電廠的運(yùn)行。您可以在當(dāng)前投入使用的任意其他DCS中嘗試一下這種重啟，并看看結(jié)果是多么的糟。