★北京和利時工業軟件有限公司劉澤華，田金濤

★東莞深燃天然氣熱電有限公司唐滌宇

★北京和利時工業軟件有限公司宋銳，趙鍇，張冰

關鍵詞：燃氣輪機；國產化；全流程仿真；高精度；DCS

1　引言

黨的二十屆三中全會將高端裝備納入戰略性產業發展重點，重型燃氣輪機作為核心裝備得到國家戰略支持，成為保障能源安全、推動綠色轉型的關鍵領域。多地政府推出相關管理政策，對燃氣機組單獨設定配額分配基準值并施行配額缺口豁免政策，鼓勵高能效、低排放機組發展及參與調峰。全國多個燃氣-蒸汽聯合循環機組項目陸續獲批。近年來，我國在燃氣輪機領域加速突破技術瓶頸，大力發展。然而，運行操控人員的人才儲備卻漸有捉襟見肘之勢。因此，為燃氣輪機機組提供高效、實用、國產化的人才培訓系統日趨重要。

和利時公司基于先進的數字孿生技術，以生產工藝流程、控制系統軟件、底層設備算法等全方位的數字孿生技術，打造了1:1的仿真數字工廠，全方位還原了燃氣-蒸汽聯合循環發電的運行生產過程，有效解決了燃氣輪機機組的人員培訓、邏輯優化、技能競賽等多項緊迫需求。

2　方案背景

深燃熱電高埗電廠燃氣熱電聯產項目，屬廣東省重點工程與東莞市重大項目，總投資22.81億元。項目配備兩臺9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組，年發電量高達33億千瓦時，可滿足約200萬戶家庭全年用電需求，不僅顯著提升了東莞市電力自給能力，還可同步為周邊企業提供安全穩定的工業蒸汽保障，尤其在夏季迎峰等電力緊張時段發揮了關鍵作用。

近年來，和利時與深燃熱電高埗電廠燃氣熱電公司開展深度合作。基于深燃公司的高度信任與認可，和利時數字孿生業務部為其量身定制開發了一套國產化高精度智能仿真系統。該系統以精準工藝模型與虛擬DPU為核心后臺支撐，為深燃高埗電廠打造出與實際工廠“無差別”的仿真操作體驗。無論是操作畫面的布局呈現、邏輯畫面的聯動響應，還是報警界面的觸發機制，該系統均對現場工程實現高度復刻，既能高效推進運行人員操作培訓，也為生產邏輯驗證搭建起貼合實際的可靠場景。不僅如此，該套仿真系統還可模擬設備故障、工藝異常、外部干擾等現場突發事故，還原了機組參數波動、報警情況，助力了運行人員熟悉應急場景，提升了應急能力，切實增強了真實場景事故處理水平，保障了生產安全。

3　解決方案

3.1　燃氣-蒸汽聯合循環激勵式仿真設計

深燃熱電高埗電廠燃氣熱電聯產項目采用燃機-蒸汽循環機組，以燃氣輪機為核心動力單元，深度耦合“布雷頓循環”與“朗肯循環”實現能量梯級利用：燃料燃燒后先驅動燃氣輪機做功發電，其排出的高溫余熱被高效回收用于產生蒸汽，進而驅動汽輪機二次做功，最終通過發電機將雙重機械能轉化為電能，同時可按需輸出熱能滿足周邊用能需求。這種“一次燃料輸入、兩次能量轉換”的復合動力模式，既充分發揮了燃氣輪機啟動快速、運行高效的優勢，又通過余熱回收彌補了單一循環的能量損耗，成為當前主流的高效發電技術之一。

圖1 燃氣-蒸汽聯合循環系統流程圖

在該項目仿真設計階段，和利時團隊對機組進行了宏觀系統分析與模塊化拆解，將整體仿真工作劃分為控制邏輯翻譯與熱力系統建模兩大核心板塊，確定了控制翻譯與熱力建模工作重心及實施難度，建立了分層攻堅機制，對關鍵難題進行逐項攻克，再進行聯合啟動，最終實現了高精度的仿真還原。

3.2　三菱DIASYS NETMATION控制平臺的遷移

本次M701F型燃氣輪機控制系統的仿真項目，技術難點在于將控制平臺從三菱DIASYS NETMATION系統遷移至和利時HOLLIAS MACS平臺。

三菱DIASYS NETMATION系統作為一款經典的集散控制系統，以其在大型火力發電、燃氣輪機等關鍵工業領域的高可靠性與實時性而著稱。該系統采用縱向分層、橫向分散的架構，其核心控制功能由專用的多功能過程站實現，構建起一個從硬件到軟件的高度集成的封閉技術體系。所有控制策略和算法都深度綁定在其特有的運行環境中，雖然保證了其穩定性和性能，但同時也帶來了較高的技術壁壘。尤其是在處理燃機啟動過程中多個系統的快速、精準協同控制這類復雜且對實時性要求極高的回路時，如何在HOLLIAS平臺上精準復現甚至優化其控制性能，是項目控制端解決方案的核心難點。以下以個別主控制系統解決思路為例。

3.2.1　值班燃氣和主燃氣的壓力和流量控制系統

燃氣壓力和流量控制閥的作用是按照機組負荷要求提供合適的燃氣流量，每臺燃氣輪機均配有三個燃氣壓力控制閥（值班燃氣：03MBP02AA722，主燃氣：03MBP02AA711/03MBP02AA712）和兩個燃氣流量控制閥(03MBP02AA732/03MBP02AA742)。燃氣壓力和燃氣流量控制閥兩者的作用都是在各種負荷條件下將燃氣流量作為控制信號輸出的函數加以控制。燃氣流量控制閥由一個值班燃氣流量控制閥和一個主燃氣流量控制閥構成，這些閥門可以快速關閉，以便在燃機停機/跳閘或在出現超速跳閘情況下因安全油壓的迅速卸掉而隔斷燃氣。

在啟動和升負荷期間對DLN燃燒器燃氣流量一般是如圖2所示控制的。

圖2 配合DLN燃燒器工作的燃氣流量（典型圖）

運行期間，燃氣被分為兩路（值班燃氣和主燃氣）。典型P&ID圖如圖3所示。

圖3 值班燃氣和主燃氣P&ID圖

在燃氣輪機燃氣點火時，以下閥門由透平控制系統（TCS）的控制信號來動作。（1）燃氣關斷閥：打開

（2）燃氣排放閥：關閉

（3）燃氣主壓力控制閥(A)(B)：控制

（4）燃氣主流量控制閥：打開至設定升程

（5）值班燃氣壓力控制閥：控制

（6）值班燃氣流量控制閥：打開至設定升程

圖4 燃氣主壓力控制閥A邏輯截選

圖5 值班燃氣壓力控制閥邏輯截選

3.2.2　主控系統的最小值

燃機主控系統即燃氣輪機的連續調節系統，M701F單軸燃氣輪機控制系統有幾種自動改變燃氣輪機燃料消耗的主控系統和每個系統對應的輸出指令CSO（ CONTROL  SIGNALOUTPUT），作為燃料控制的基準。

圖6 燃料控制系統類型

圖7 燃料控制系統框圖

圖8 燃料控制最小值門邏輯實現

各控制系統的作用階段：

（1）燃料限制模式控制系統：燃機啟動后至轉速升至額定轉速20%左右，吹掃后點火直至升至額定轉速，其控制過程采用分段控制和最小值選擇門控制結合的方式進行。

（2）速度/負荷控制系統：作用于控制燃機的并網和帶一定負荷的過程，在負荷小于50%時采用自動調節的方式。

（3）葉片通道溫度/排汽溫度控制系統：在實際運行過程中，由于燃機剛啟動時排汽溫度測量不準確，所以在啟動至帶負荷前采用葉片通道溫度控制，當燃機帶負荷后轉為排汽溫度控制。

圖9 控制方式與工況的關系

3.3　機理模型組態及數據仿真實現

根據燃氣輪機機組實際物理過程及各系統間的相對獨立性，將燃機仿真系統劃分成兩大類：燃氣輪機機組和余熱爐蒸汽輪機機組。基于廠內系統圖及熱力學原理、流體力學原理、傳熱學原理等基礎學科，對燃機、熱機兩大系統內各子系統進行模型組態并參數模擬。組態過程中模塊及各系統之間需遵循熱力學第一定律ΔU=Q+W（ΔU為系統內能變化，Q為系統吸收的熱量，W為外界對系統做的功）、熱力學第二定律ΔS≥0（ΔS為熵變值）及質量守恒定律（仿真系統之間工質互相流通、反應、變化。但宏觀系統觀測下，工質始終處于守恒狀態）。

圖10 模型系統劃分

對各系統進行仿真數據調試時，需遵循廠內運行數據曲線及各設備設計參數、額定參數對閥門、管道、泵、風機、主設備等設備進行數據處理，確定各設備流通能力如式（1）所示：

式中：G-管路質量流量kg/s；

ρ-管路入口密度kg/m3；

dP-管路進出口壓差MPa。

對各換熱段進行仿真換熱器模塊數據處理，確定各換熱器換熱能力。依據傳熱學原理，換熱量計算公式為式（2）：

式中：Q-換熱量kW；

K-換熱系數kW/(m2·℃)；

A-換熱面積m2；

?T-換熱溫差℃。

換熱量計算公式為式（3）：

式中：G-經過換熱器的介質流量kg/s；

?h-換熱器進出口比焓差kj/kg。

也可進一步推出式（4）：

依此式即可根據流量曲線和溫度曲線，確定各小段換熱器換熱面積值。再依據系統劃分、換熱段劃分及能量守恒定律，逐步確定各主系統間的換熱關系，最終實現整體系統換熱守恒且符合現場實際曲線，實現高精度參數仿真。

圖11 主要控制參數運行曲線

4　技術突破

4.1　燃機啟機全流程動態過程模擬仿真

本項目團隊通過對燃機實際啟機過程中的曲線進行采集、整理和數據分析，對燃機動態啟動過程中的各階段參數變化進行有效處理，并分步驟、分階段模擬燃氣輪機動態啟動的參數變化特性，實現了仿真作業中對燃機-蒸汽循環機組精確到秒的啟動參數數據匹配。

具體如下，模型啟動階段通過專用模塊模擬壓氣機做功產熱過程，該產熱模塊拆解為兩部分協同實現：第一部分針對沖轉階段的加熱需求設計，第二部分適配升負荷后的加熱場景。此拆分設計可有效規避因壓氣機消耗功率波動引發的整體做功不穩定問題，進而避免燃機轉速出現異常波動；而轉速波動的抑制，能進一步阻斷其對壓氣機做功的反向反饋影響，減少壓氣機及燃機通流量的劇烈變化，最終解決仿真流網數據大幅震蕩的技術痛點。

圖12

由于燃氣具有熱值高、供氣量小的特點，其壓力一旦出現微小波動，便會對燃燒狀態產生強烈影響，進而造成燃機做功波動，最終導致沖轉過程失穩。針對燃氣與空氣系統的節點模型開展代碼優化，可有效抑制壓氣機做功帶來的燃氣壓力波動問題。

4.2　燃機控制思維的全方位搭建

在工業自動化領域，實現核心技術的自主可控與深度掌控已成為產業升級的關鍵。我們成功將三菱DIASYS Netmation控制系統遷移至和利時HolliASMACS國產平臺，并構建了一套開放的、可自由編輯的M701F重型燃機組態控制方案。這一成果不僅是技術平臺的簡單替換，更是構建了一個貫穿技術培訓、工程實踐與優化創新的全生命周期平臺，具有深遠的技術優勢與廣闊的市場前景。

圖13 GTOPERATION組態邏輯截選

遷移過程本身即是對三菱燃機先進控制邏輯的“逆向工程”。我們將原本封閉在原系統中的“黑盒”邏輯，轉化為在國產MACS平臺上可完全訪問、編輯和理解的方案。這使得我們深入了解和掌握了M701F燃機的控制思維及控制特點，包括燃機負荷控制系統（LOAD CONTROL  ）、轉速控制系統（GOVERNOR CONTROL  ）、排汽溫度限制控制系統（EXHAUSTTEMP.LIMIT CONTROL  ）、葉片通道溫度限制控制系統（BLADETEMP.LIMIT CONTROL  ）、燃料限制控制系統（FUELLIMIT CONTROL  ）、TCA透平空氣冷卻系統、FGH燃氣溫控系統、值班燃氣和主燃氣的壓力和流量控制系統等核心控制邏輯。三菱M701F型燃機作為重型燃機領域的代表產品，其突破了控制方案的技術壁壘。它的成功應用是和利時攻克燃氣輪機領域的里程碑，這一成果是一個極具說服力的“樣板工程”。

圖14 PIBLOCKFUNCTION截選

該方案作為一個1:1還原的數字化副本，是絕佳的“控制策略試驗平臺”。熱工控制人員可以在此平臺上安全、無風險地進行控制邏輯的修改、算法優化的測試以及故障預案的驗證，極大地加速了技術改進的步伐，使得我們能夠基于現有技術進行自主創新，提升了機組性能、效率和可靠性，而無需擔心在真實設備上可能帶來的巨大風險和高昂成本。

同時，該系統也是培養自動化人才的“孵化器”。對于實施工程師而言，它提供了完全基于DIAYSYNETMATION的組態邏輯和環境，不僅能考驗實施人員的邏輯閱讀和理解能力，也能極大提升其解決復雜問題的能力，成為技能提升和人員培訓的最佳試煉場。

5　結論與展望

深燃高埗燃機仿真項目的落地，是國產化燃機-蒸汽循環機組仿真工業的重要里程碑。針對9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組的高參數與復雜特性，和利時仿真系統實現了機組全場景模擬，攻克了國產仿真軟件在大型聯合循環機組熱力建模、多設備協同仿真等方面的關鍵技術難題，填補了國內高端燃機仿真空白，達成了核心技術國產化突破。其示范效應不僅將持續賦能我國燃氣發電行業高質量發展，也將成為國產化燃機-蒸汽循環機組仿真工業邁向國際先進水平的重要標志。

作者簡介：

劉澤華（1995-），男，陜西西安人，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真培訓系統的工程管理、技術開發、工程實施、技術支持工作。

田金濤（1994-），男，陜西西安人，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真培訓系統的工程管理、技術開發、工程實施、技術支持工作。

唐滌宇（1990-），男，黑龍江齊齊哈爾人，現就職于東莞深燃天然氣熱電有限公司，負責燃機電廠過程控制自動化管理、技術創新、技術支持工作。

宋　銳（1990-），男，陜西西安人，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真培訓系統的工程管理、技術開發、工程實施、技術支持工作。

趙　鍇（1987-），男，陜西西安人，高級工程師，碩士，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真系統的市場開拓、產品規劃、工程交付及業務管理工作。

張　冰（1983-），男，陜西西安人，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，負責流程行業仿真培訓系統的工程管理、技術開發、工程實施、技術支持工作。

摘自《自動化博覽》2025年11月刊