核心提示：如果旋转机械和锅炉是电厂强有力的肌肉，那么将无数电厂功能高效结合起来的控制系统就是电厂的大脑。幸运的是，当控制系统变得不可靠或维护成本过于高昂时，我们可以在电厂中实施大脑移植手术，但首先必须证明这个手术的合理性。

   图1 新Harquahala发电项目位于亚利桑那州菲尼克斯市西，这一1080MW项目配备了3台1×1联合循环机组。其燃气轮机采用了西门子SGT6-6000G产品，拥有应用于供电高峰的蒸汽喷射功能

　　由MACH Gen LLC所拥有的新Harquahala发电项目（HGP）是一座位于亚利桑那州Maricopa郡的1080 MW联合循环电厂，距菲尼克斯市约60英里处。HGP于2004年投入商业运营，并在美国西南部商品电力市场上销售电力给亚利桑那州的公用事业公司。特别在7~11月这个时间段内，该电厂几乎是连续运行。MACH Gen于两年前聘请了Competitive Power Ventures公司（CPV）担任这座电厂的资产管理者，并选中了NAES公司作为运行和维护（O&M）提供商。这座电厂所报告的年度利用率约为30%，这点与美国许多商品燃气联合循环电厂没有什么不同。

　　这座电厂的3台机组采用独特的1×1配置方式，以西门子SGT6-6000G（以前的W501G）燃气轮机为基础。为了让大家对本项目有个大致的了解，实际上可以说HGP就是PGE Port Westward 1x1项目乘以3倍（图1）。这3台西门子120MW SST6-PAC 3000蒸汽涡轮机均由1个高压缸和联合中压/低压缸组成。NEM为其供应了三压式回热蒸汽发生器（HRSG），尽管这座电厂存在例行的循环运行条件，但该蒸汽发生器也非常出色地保障了自己的无故障运行。

　　图2 作为T3000控制系统升级工作的一部分，电厂对控制面板的人机界面、监视器以及控制室的布局进行了重新排布。控制面板所占用的面积显著缩小，而系统能力却得到了明显增强。首席O&M技术员Lamont Packer示范了T3000的众多先进功能

　　这座电厂的净发热量处于7100Btu/KWh一级，这使它在效率方面处于食物链的顶级。电力通过HGP的23英里输电线供至Palo Verde 500kV电网，这条线路先连接到Salt River项目的Hassayampa配电站，并最终接入Palo Verde电网。其独特之处在于，这座电厂的配电站和输电线由Constellation Energy签约运营，可以认为是一个遵守北美电力可靠性公司（NERC）规章的独立控制区。

　　其燃气轮机的另一个独特之处在于，它具备通过4个喷射喷嘴按最高1:1的蒸汽/燃料质量流量比向燃烧室内喷射400psig和650oF的冷再热蒸汽，将输出功率提升至顶峰。它可以在10min内带来每台额外15MW的输出功率，这点在满足西部电力协调委员会提取贮备发电能力很有帮助。

　　西门子一共投产了6台采用此项技术的G级燃气轮机，其中3台就位于HGP。据电厂经理Malcolm Hubbard说，在其团队调试了这套系统并克服几项困难后，这套系统工作成效极佳。该机组配置了31名O&M员工管理。

　　脑容量不足的系统

　　电厂运营方在头几年运营中所遇到的最大挑战，也许就是作为原先总承包项目合同组成部分而安装的灵活度不足的Teleperm XP（TXP）控制系统了。商业电厂要依靠低耗热量、高可用性和对负荷控制信号的灵敏响应来赢利。不幸的是，TXP并不能完成这些任务。反而，过于庞大的控制系统导致脱扣事件发生，以及难于使用的界面和过时调试排错工具都成了它的特点。如果您在使用控制系统中的恐龙来运行和维护电厂，那么每一项功能看起来都那么缓慢和笨拙。此外，TXP还不能通过配置来满足新的NERC电子安全性规定。

图3 燃气轮机蒸汽冷却系统的图形界面

　　HGP员工在2007年下半年所遇到的挑战，是如何让MACH Gen和CPV公司相信，用于升级控制系统的投资将因提升电厂的可靠性和可用性而产生合理的回报。这项证明工作不亚于要求自己的老板给自己新配一台用于工作的计算机，但问题在于要用除计算机使用时间以外的理由来证明这笔支出的合理性。在未经训练的人看来，HGP升级的效果在他巡视这座电厂时实质上根本显现不出来，但这种升级对于控制室内有经验的电厂操作人员来说，却十分明显（图2）。升级还会大幅提升电厂操作人员的效率，因此所有者也有可能更为进取地在电力市场上用这座电厂来竞标。

　　采购新大脑

　　电厂员工们采取了计划周详的方式，编制了控制装置升级所带来的电厂可靠性和可操作性方面的预期改进文档，以及升级将会在当前高竞争度的电力市场上给电厂带来的成本优势。主要的升级要求包括：提高管理HGP复杂资产的能力、配备供操作者和电厂工程师使用的深度定制工具、一套独立于平台的解决方案。该方案包含可供员工们在电厂内任何计算机上通过一个瘦客户机使用各项功能，以及一套可以定制化的强有力工具，最为重要的是安装和操作方面的简洁性。

　　由于西门子电力集团最初供应了这个总承包项目的涡轮机组、HRSG及其他主要设备，很自然HGP向西门子寻求升级路线以求尽量降低成本和缩短停运时间。而且，升级将通过“内部完成”，现有的控制柜和相关系统及组件还可以重复使用，从而最大程度减少停运时间和支出。

　　HGP员工所选择的西门子电力集团先锋性的电厂控制技术以及升级路径，就是Power Plant Automation SPPA-T3000，或简称T3000。T3000能够处理所有的电厂自动化任务，包括汽机和燃气轮机控制、锅炉保护、所有其他电厂组成部分的集成，以及电厂监测、数据记录，还有控制室中的人机界面（HMI）（图3）。

　　 在现有现场控制柜内安装的SIMATIC S7自动化服务器用于处理I/O例行工作，在配置上采用了电气隔离的冗余处理器以增加电厂的可靠性。这些充分冗余的两选一设计方案，降低了处理器故障的发生概率，能够在故障情况下实现从主要系统向备用系统的无缝切换

　　这也是T3000在G级燃气轮机上的首次实施。本文无法详细描述作者最近访问HGP所目睹的T3000系统强大而令人惊异的功能，也无法展示其令人印象深刻的特色，而且也不能深入探讨这套控制系统的内部工作原理。我们的目标是评价通过升级上一代控制装置包至业界顶尖控制系统包，使电厂性能得到显著改进及经济性改善后所带来实实在在的成本优势。如果您正在纠缠如何从经济角度证明类似升级的合理性时，那么本案例也许会给您带来帮助。

　　成本和判断

　　HGP能够将数字转化成有形的升级后预期改进，这些改进同时体现在电厂运行的可靠性和成本降低方面。此外，HGP还能估计出与控制装置升级相关的更多无形好处。有一些计算是非常直接明了的，而另一些则要求进行一系列理性的判断才能通过不那么精通技术的业主的检视。员工们的方法是展示出经济效益，尽管较难进行准确估算，但经济效益已经大到可以证明持有资金者所做出投资的正确性。简而言之，即发现经济效益是显著的，并且划分成了短期和长期的效益以及有形和无形的效益。

　　无形的效益

　　NERC电子安全标准如今已经深植于每一家电厂运营者的心中，其中许多电厂正在发现自己现有的数字控制系统（DCS）并不像他们所希望或预期的那样安全。一些控制装置供应商正在为自己的操作系统提供升级或“补丁”，但少数供应商还没有提供能够满足新的安全和报告需要的集成软件包。

　　虽然难以给这项新的能力标出具体的成本节约效果，但忽视这些标准的不利之处有可能包括罚款，以及在发生电子攻击时丧失电厂控制功能或导致计划外停运。而T3000完全符合从CIP-002至CIP-009的NERC标准—而这些特色是TXP可能永远无法提供的。

　　这些电厂最初的TXP控制系统极难实现故障排查工作，经常要求仪表和控制（I&C）工程师或技术人员带上一台手提箱大小的“计算机”，深入到电厂内部，将其连接到一台现场控制柜上才能排除“假脱扣”故障。TXP系统还缺乏采集“第一次发出”警报的能力，也不具备通过控制系统与汽机设备间的接口Simadyn来反向追踪控制装置动作的能力。事实上，现有的Simadyn并不能诊断发生的脱扣事件。而T3000更简洁的体系架构，彻底取消了Simadyn及其陈旧过时的故障排查工具组合，并消灭了没有第一次发出事件历史记录功能的缺陷。

　　TXP的另一项无形问题，是其给定数量的应用程序处理器（AP）没有能力满足未来扩展的需要。这些用在TXP控制系统内的AP用于与I&C软件间的接口。在电厂增加设备和功能时，原有AP中的一些需要在大量支出条件下进行扩展和优化，但有一些AP已完全占满了，因此不可能进行扩展。随着HGP员工继续给电厂增加新的功能以提升运行性能和效率，就需要更多的AP，但TXP体系架构下进行进一步拓展的潜力较为有限，而采用T3000系统就可以将这些AP从体系架构中取消，打破这一升级的瓶颈。而且，旧有AP的升级工作还要求电厂停运，而新系统体系架构可以实现系统内在的在线扩充（图5）。

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　　长期的无形效益

　　开发T3000系统的目的，是推出大为简化的用户和工程设计界面，并且实现在任何终端上对所有用户开发屏幕的简便访问。事实上，其HMI界面允许操作者将自己的偏好，包括屏幕色彩在内和报告配置方案存储到一个与用户名称相关联的特定用户设置内。当您当班登录时，您自己的定制屏幕组合将显示出来。这种灵活的设计方式，有效地加快了运行控制装置技术人员的培训工作，减少了对供应商客户支持的依赖。

　　我最喜欢的特色，是电厂内拥有终端的任意人可访问的巨量信息以优秀的组织方式进行存储。只需用鼠标两次点击，就可访问任何系统屏幕。另外，操作者可以在任何时间段内为电厂内的任意变量组合绘制趋势图，只需从流程图上将这些变量名称拖放至一个新的趋势图窗口并选择时间坐标即可。整个性能数据库历史记录也是在线的，从服务器上只需点击几次鼠标即可立即访问。

　　T3000还为电厂提供了扩展的支持服务，涉及对控制系统逻辑改变的创建、测试和实施工作。为了实现电厂优化、系统保护或人员安全，逻辑改变有必要定期执行。TXP系统中并没有能够在这逻辑改变投入使用之前，对其进行测试的程序，因此要求电厂停机才能进行安装和测试。而T3000允许在仿真T3000程序上做出这些逻辑改变并执行这些改变。这个程序将自动识别和标出所有逻辑缺陷，让工程师有机会做出修正，从而杜绝电厂发生意外事件。

　　T3000超越TXP的另一项巨大优点，是其可以在一个瘦客户机上运行。这样就可以从电厂内部或外部的任何PC机上通过以太网连接（如果允许）使用完整的程序，并允许脱离控制室实现设施的远程操作。这项能力对于想满足NERC标准的所有输电操作员来说，都是必要的。而HGP有可能在未来按要求遵守这些标准，因为其输电线路和核电站均为NERC控制区域。目前，HGP正继续就NERC标准的细节展开谈判。

　　有形的效益

　　T3000还完全消除了对Simadyn的需要，避免了其所有的小缺点和复杂性，而且显著简化的系统体系架构还改善了电厂的可靠性，但改善幅度有多大却较难具体指明，仍需要进行一些估算。请注意，这些数字是具体对应于HGP的一般估算值。

　　第一项有形的效益，是T3000将控制系统所必需的PC机数量从16台减少到了10台。而一台用于运行TXP的典型PC机采购价格处于5000美元这一级别，而在几乎5年的运行之后，每年都要更换其中几台这样的计算机。相反，T3000系统采用了可以从任意计算机供应商处采购的标准PC机。经HGP计算得出，在计算机采购和维护成本方面的节约额度处于每年20?000美元的级别上。

　　HGP员工还计算出了过去4年间直接归属于Simadyn系统的维护工作量。此项数据直接从电厂的计算机化维护管理系统中取得，然后乘以加权的员工和承包商小时成本。据估算，在减少人力成本方面，节约额度每年总计约为10?000美元。而且，较少的计算机和AP的取消，就意味着较少的附加工作负担。这方面每年的节约额度约为3000美元。

　　此外，通过采用T3000使HGP减少了TXP所造成的电厂脱扣事件。在T3000升级前的3年中，这座电厂发生了12次直接归绺于TXP逻辑问题或TXP锁定用户界面而阻止电厂员工防止机组脱扣或自动减负荷的事件。这12次脱扣等同于75次启动，也就是等同于每年25次启动。为了做出对比，假设这些机组脱扣事件中仅有一半会在采用T3000的情况下避免，则此项计算可以得出TXP导致了每年增加12.5次额外等同启动，也就等于每年约200?000美元的额外支出。

　　以上所述的与Simadyn相关的脱扣也应该能够得到避免。在T3000升级之前的3年期间，4次脱扣直接归绺于Simadyn主系统的脱扣，并导致了总计45次的等同启动。这些每年15次的等同启动，相当于每年约240?000美元的额外运行支出。

　　最后，TXP系统的复杂度及难于使用的用户界面也影响了电厂长期维修协议（LTSA）下所发生的成本。尽管这方面的计算相对复杂一些，但HGP测算出T3000会在以后5年间减少每年平均约100?000美元的LTSA成本。尽管此项计算的详细内容属于专有信息，但这里只作为一项T3000能够给未来电厂运营带来效益的优秀示例。在采用TXP系统时，一项故障会导致整个电厂脱扣—汽机和燃气轮机的真空破坏器打开。而在采用T3000时，就有可能做到打开一个真空破坏器，而燃气轮机将降低负荷但继续在数分钟内保持同步转速，然后将保持稳态，以便在故障快速清除后恢复与电网的同步。这种恢复运行的逻辑设计，显著减少了由于燃气轮机所引发的等同启动次数，并防止了完全的机组脱扣事件的发生。

　　总之，升级至T3000系统的效益超过了每年500?000美元，从而充分证明了HGP将此套系统投入使用的正确性。本文所述的每一项成本组成要素，并不一定能够适用于每一家正在考虑做出类似升级的联合循环电厂，而且其他电厂肯定还存在着其他成本问题；但是，HGP证明此类升级成本合理性的方法对于其他正在考虑类似升级的电厂应当是有用的。

　　真实结果报告

　　HGP于2007年11月15日向西门子发出了一份T3000控制装置升级的采购订单，此项升级工作于2008年5月5日完成并投入使用。可以看到T3000系统是非常新型的系统，HGP项目也是此系统在G级燃气轮机及联合循环电厂中的第一次应用。在本案例中，这就意味着HGP再次在经济绩效方面领先于业界。

　　预测结果是一场数字游戏，但根据这些预测所采取的行动可区分出商品电力行业的嬉皮士与摇滚巨星。自从T3000投入运行后，运行和性能统计数字得到了显著改善。但是，电厂员工将其全部归功于T3000也并不公平。Hubbard指出，并非电厂性能的所有改善都可以直接归功于T3000。统计数字改善的大多数应当归功于此次升级，他的员工们在同一时期还完成了许多其他可靠性改进项目。

　　深入了解T3000

　　SPPA T3000分散控制系统（DCS）采用了一种区分明确的3层式体系架构，以如今可以在绝大多数家庭和办公室商业应用程序看到的客户机/服务器组网及信息管理概念为基础。这种体系架构设计方案使所有电厂数据从本质上来讲，可在任意时间和任意终端上操作，以及用于工程设计或诊断，并且不再需要经典DCS中可看到的必需子系统。

　　T3000完全以XML和Java为基础，从而可以执行任意应用程序，并能在不受操作系统或硬件平台兼容性问题限制下提供结果。

图4 T3000采用了3层式的系统体系架构设计方案

　　这种3层式的系统体系架构，包括了现场设备、处理器及表示层，而表示层采用了一种瘦客户机（图4）。

　　这种结构的重要优点之一，就是瘦客户机完全独立于任何应用程序。这种3层式的结构，还方便了迅速简便的升级或升级管理。它可以简便地更换系统内的任何组成部件，而无需向PC机提供新软件版本。通过简单地用新版本来更新服务器，客户机就能从安装时刻起，自动采用新版本来工作。

　　这种体系架构还可以允许主处理器重启而不扰乱电厂的运行。您可以在当前投入使用的任意其他DCS中尝试一下这种重启，并看看结果是多么的糟。