★北京和利时工业软件有限公司刘泽华，田金涛

★东莞深燃天然气热电有限公司唐涤宇

★北京和利时工业软件有限公司宋锐，赵锴，张冰

关键词：燃气轮机；国产化；全流程仿真；高精度；DCS

1　引言

党的二十届三中全会将高端装备纳入战略性产业发展重点，重型燃气轮机作为核心装备得到国家战略支持，成为保障能源安全、推动绿色转型的关键领域。多地政府推出相关管理政策，对燃气机组单独设定配额分配基准值并施行配额缺口豁免政策，鼓励高能效、低排放机组发展及参与调峰。全国多个燃气-蒸汽联合循环机组项目陆续获批。近年来，我国在燃气轮机领域加速突破技术瓶颈，大力发展。然而，运行操控人员的人才储备却渐有捉襟见肘之势。因此，为燃气轮机机组提供高效、实用、国产化的人才培训系统日趋重要。

和利时公司基于先进的数字孪生技术，以生产工艺流程、控制系统软件、底层设备算法等全方位的数字孪生技术，打造了1:1的仿真数字工厂，全方位还原了燃气-蒸汽联合循环发电的运行生产过程，有效解决了燃气轮机机组的人员培训、逻辑优化、技能竞赛等多项紧迫需求。

2　方案背景

深燃热电高埗电厂燃气热电联产项目，属广东省重点工程与东莞市重大项目，总投资22.81亿元。项目配备两台9F级燃气-蒸汽联合循环机组，年发电量高达33亿千瓦时，可满足约200万户家庭全年用电需求，不仅显著提升了东莞市电力自给能力，还可同步为周边企业提供安全稳定的工业蒸汽保障，尤其在夏季迎峰等电力紧张时段发挥了关键作用。

近年来，和利时与深燃热电高埗电厂燃气热电公司开展深度合作。基于深燃公司的高度信任与认可，和利时数字孪生业务部为其量身定制开发了一套国产化高精度智能仿真系统。该系统以精准工艺模型与虚拟DPU为核心后台支撑，为深燃高埗电厂打造出与实际工厂“无差别”的仿真操作体验。无论是操作画面的布局呈现、逻辑画面的联动响应，还是报警界面的触发机制，该系统均对现场工程实现高度复刻，既能高效推进运行人员操作培训，也为生产逻辑验证搭建起贴合实际的可靠场景。不仅如此，该套仿真系统还可模拟设备故障、工艺异常、外部干扰等现场突发事故，还原了机组参数波动、报警情况，助力了运行人员熟悉应急场景，提升了应急能力，切实增强了真实场景事故处理水平，保障了生产安全。

3　解决方案

3.1　燃气-蒸汽联合循环激励式仿真设计

深燃热电高埗电厂燃气热电联产项目采用燃机-蒸汽循环机组，以燃气轮机为核心动力单元，深度耦合“布雷顿循环”与“朗肯循环”实现能量梯级利用：燃料燃烧后先驱动燃气轮机做功发电，其排出的高温余热被高效回收用于产生蒸汽，进而驱动汽轮机二次做功，最终通过发电机将双重机械能转化为电能，同时可按需输出热能满足周边用能需求。这种“一次燃料输入、两次能量转换”的复合动力模式，既充分发挥了燃气轮机启动快速、运行高效的优势，又通过余热回收弥补了单一循环的能量损耗，成为当前主流的高效发电技术之一。

图1 燃气-蒸汽联合循环系统流程图

在该项目仿真设计阶段，和利时团队对机组进行了宏观系统分析与模块化拆解，将整体仿真工作划分为控制逻辑翻译与热力系统建模两大核心板块，确定了控制翻译与热力建模工作重心及实施难度，建立了分层攻坚机制，对关键难题进行逐项攻克，再进行联合启动，最终实现了高精度的仿真还原。

3.2　三菱DIASYS NETMATION控制平台的迁移

本次M701F型燃气轮机控制系统的仿真项目，技术难点在于将控制平台从三菱DIASYS NETMATION系统迁移至和利时HOLLIAS MACS平台。

三菱DIASYS NETMATION系统作为一款经典的集散控制系统，以其在大型火力发电、燃气轮机等关键工业领域的高可靠性与实时性而著称。该系统采用纵向分层、横向分散的架构，其核心控制功能由专用的多功能过程站实现，构建起一个从硬件到软件的高度集成的封闭技术体系。所有控制策略和算法都深度绑定在其特有的运行环境中，虽然保证了其稳定性和性能，但同时也带来了较高的技术壁垒。尤其是在处理燃机启动过程中多个系统的快速、精准协同控制这类复杂且对实时性要求极高的回路时，如何在HOLLIAS平台上精准复现甚至优化其控制性能，是项目控制端解决方案的核心难点。以下以个别主控制系统解决思路为例。

3.2.1　值班燃气和主燃气的压力和流量控制系统

燃气压力和流量控制阀的作用是按照机组负荷要求提供合适的燃气流量，每台燃气轮机均配有三个燃气压力控制阀（值班燃气：03MBP02AA722，主燃气：03MBP02AA711/03MBP02AA712）和两个燃气流量控制阀(03MBP02AA732/03MBP02AA742)。燃气压力和燃气流量控制阀两者的作用都是在各种负荷条件下将燃气流量作为控制信号输出的函数加以控制。燃气流量控制阀由一个值班燃气流量控制阀和一个主燃气流量控制阀构成，这些阀门可以快速关闭，以便在燃机停机/跳闸或在出现超速跳闸情况下因安全油压的迅速卸掉而隔断燃气。

在启动和升负荷期间对DLN燃烧器燃气流量一般是如图2所示控制的。

图2 配合DLN燃烧器工作的燃气流量（典型图）

运行期间，燃气被分为两路（值班燃气和主燃气）。典型P&ID图如图3所示。

图3 值班燃气和主燃气P&ID图

在燃气轮机燃气点火时，以下阀门由透平控制系统（TCS）的控制信号来动作。（1）燃气关断阀：打开

（2）燃气排放阀：关闭

（3）燃气主压力控制阀(A)(B)：控制

（4）燃气主流量控制阀：打开至设定升程

（5）值班燃气压力控制阀：控制

（6）值班燃气流量控制阀：打开至设定升程

图4 燃气主压力控制阀A逻辑截选

图5 值班燃气压力控制阀逻辑截选

3.2.2　主控系统的最小值

燃机主控系统即燃气轮机的连续调节系统，M701F单轴燃气轮机控制系统有几种自动改变燃气轮机燃料消耗的主控系统和每个系统对应的输出指令CSO（ CONTROL  SIGNALOUTPUT），作为燃料控制的基准。

图6 燃料控制系统类型

图7 燃料控制系统框图

图8 燃料控制最小值门逻辑实现

各控制系统的作用阶段：

（1）燃料限制模式控制系统：燃机启动后至转速升至额定转速20%左右，吹扫后点火直至升至额定转速，其控制过程采用分段控制和最小值选择门控制结合的方式进行。

（2）速度/负荷控制系统：作用于控制燃机的并网和带一定负荷的过程，在负荷小于50%时采用自动调节的方式。

（3）叶片通道温度/排汽温度控制系统：在实际运行过程中，由于燃机刚启动时排汽温度测量不准确，所以在启动至带负荷前采用叶片通道温度控制，当燃机带负荷后转为排汽温度控制。

图9 控制方式与工况的关系

3.3　机理模型组态及数据仿真实现

根据燃气轮机机组实际物理过程及各系统间的相对独立性，将燃机仿真系统划分成两大类：燃气轮机机组和余热炉蒸汽轮机机组。基于厂内系统图及热力学原理、流体力学原理、传热学原理等基础学科，对燃机、热机两大系统内各子系统进行模型组态并参数模拟。组态过程中模块及各系统之间需遵循热力学第一定律ΔU=Q+W（ΔU为系统内能变化，Q为系统吸收的热量，W为外界对系统做的功）、热力学第二定律ΔS≥0（ΔS为熵变值）及质量守恒定律（仿真系统之间工质互相流通、反应、变化。但宏观系统观测下，工质始终处于守恒状态）。

图10 模型系统划分

对各系统进行仿真数据调试时，需遵循厂内运行数据曲线及各设备设计参数、额定参数对阀门、管道、泵、风机、主设备等设备进行数据处理，确定各设备流通能力如式（1）所示：

式中：G-管路质量流量kg/s；

ρ-管路入口密度kg/m³；

dP-管路进出口压差MPa。

对各换热段进行仿真换热器模块数据处理，确定各换热器换热能力。依据传热学原理，换热量计算公式为式（2）：

式中：Q-换热量kW；

K-换热系数kW/(m2·℃)；

A-换热面积m2；

∆T-换热温差℃。

换热量计算公式为式（3）：

式中：G-经过换热器的介质流量kg/s；

∆h-换热器进出口比焓差kj/kg。

也可进一步推出式（4）：

依此式即可根据流量曲线和温度曲线，确定各小段换热器换热面积值。再依据系统划分、换热段划分及能量守恒定律，逐步确定各主系统间的换热关系，最终实现整体系统换热守恒且符合现场实际曲线，实现高精度参数仿真。

图11 主要控制参数运行曲线

4　技术突破

4.1　燃机启机全流程动态过程模拟仿真

本项目团队通过对燃机实际启机过程中的曲线进行采集、整理和数据分析，对燃机动态启动过程中的各阶段参数变化进行有效处理，并分步骤、分阶段模拟燃气轮机动态启动的参数变化特性，实现了仿真作业中对燃机-蒸汽循环机组精确到秒的启动参数数据匹配。

具体如下，模型启动阶段通过专用模块模拟压气机做功产热过程，该产热模块拆解为两部分协同实现：第一部分针对冲转阶段的加热需求设计，第二部分适配升负荷后的加热场景。此拆分设计可有效规避因压气机消耗功率波动引发的整体做功不稳定问题，进而避免燃机转速出现异常波动；而转速波动的抑制，能进一步阻断其对压气机做功的反向反馈影响，减少压气机及燃机通流量的剧烈变化，最终解决仿真流网数据大幅震荡的技术痛点。

图12

由于燃气具有热值高、供气量小的特点，其压力一旦出现微小波动，便会对燃烧状态产生强烈影响，进而造成燃机做功波动，最终导致冲转过程失稳。针对燃气与空气系统的节点模型开展代码优化，可有效抑制压气机做功带来的燃气压力波动问题。

4.2　燃机控制思维的全方位搭建

在工业自动化领域，实现核心技术的自主可控与深度掌控已成为产业升级的关键。我们成功将三菱DIASYS Netmation控制系统迁移至和利时HolliASMACS国产平台，并构建了一套开放的、可自由编辑的M701F重型燃机组态控制方案。这一成果不仅是技术平台的简单替换，更是构建了一个贯穿技术培训、工程实践与优化创新的全生命周期平台，具有深远的技术优势与广阔的市场前景。

图13 GTOPERATION组态逻辑截选

迁移过程本身即是对三菱燃机先进控制逻辑的“逆向工程”。我们将原本封闭在原系统中的“黑盒”逻辑，转化为在国产MACS平台上可完全访问、编辑和理解的方案。这使得我们深入了解和掌握了M701F燃机的控制思维及控制特点，包括燃机负荷控制系统（LOAD CONTROL  ）、转速控制系统（GOVERNOR CONTROL  ）、排汽温度限制控制系统（EXHAUSTTEMP.LIMIT CONTROL  ）、叶片通道温度限制控制系统（BLADETEMP.LIMIT CONTROL  ）、燃料限制控制系统（FUELLIMIT CONTROL  ）、TCA透平空气冷却系统、FGH燃气温控系统、值班燃气和主燃气的压力和流量控制系统等核心控制逻辑。三菱M701F型燃机作为重型燃机领域的代表产品，其突破了控制方案的技术壁垒。它的成功应用是和利时攻克燃气轮机领域的里程碑，这一成果是一个极具说服力的“样板工程”。

图14 PIBLOCKFUNCTION截选

该方案作为一个1:1还原的数字化副本，是绝佳的“控制策略试验平台”。热工控制人员可以在此平台上安全、无风险地进行控制逻辑的修改、算法优化的测试以及故障预案的验证，极大地加速了技术改进的步伐，使得我们能够基于现有技术进行自主创新，提升了机组性能、效率和可靠性，而无需担心在真实设备上可能带来的巨大风险和高昂成本。

同时，该系统也是培养自动化人才的“孵化器”。对于实施工程师而言，它提供了完全基于DIAYSYNETMATION的组态逻辑和环境，不仅能考验实施人员的逻辑阅读和理解能力，也能极大提升其解决复杂问题的能力，成为技能提升和人员培训的最佳试炼场。

5　结论与展望

深燃高埗燃机仿真项目的落地，是国产化燃机-蒸汽循环机组仿真工业的重要里程碑。针对9F级燃气-蒸汽联合循环机组的高参数与复杂特性，和利时仿真系统实现了机组全场景模拟，攻克了国产仿真软件在大型联合循环机组热力建模、多设备协同仿真等方面的关键技术难题，填补了国内高端燃机仿真空白，达成了核心技术国产化突破。其示范效应不仅将持续赋能我国燃气发电行业高质量发展，也将成为国产化燃机-蒸汽循环机组仿真工业迈向国际先进水平的重要标志。

作者简介：

刘泽华（1995-），男，陕西西安人，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真培训系统的工程管理、技术开发、工程实施、技术支持工作。

田金涛（1994-），男，陕西西安人，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真培训系统的工程管理、技术开发、工程实施、技术支持工作。

唐涤宇（1990-），男，黑龙江齐齐哈尔人，现就职于东莞深燃天然气热电有限公司，负责燃机电厂过程控制自动化管理、技术创新、技术支持工作。

宋　锐（1990-），男，陕西西安人，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真培训系统的工程管理、技术开发、工程实施、技术支持工作。

赵　锴（1987-），男，陕西西安人，高级工程师，硕士，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真系统的市场开拓、产品规划、工程交付及业务管理工作。

张　冰（1983-），男，陕西西安人，现就职于北京和利时工业软件有限公司，负责流程行业仿真培训系统的工程管理、技术开发、工程实施、技术支持工作。

摘自《自动化博览》2025年11月刊