【行业观察】严谨的实验验证程序使燃气轮机持续可靠性超过了99%
导读：如何对新开发的重型燃气轮机进行有效的测试，一直是几个主要燃气轮机制造商需要面对的巨大的挑战。根据各自的历史经验积累和不同的边界条件，各家采取了不同的验证策略。三菱重工采取的是在高砂工厂内的T-Point实验电站进行厂内长测的方针。这篇2016年的文章探讨了这一方针形成的历史背景及工程考量。时过境迁，文末提及的第二T-Point实验电站也已经在今年早些时候投入了运行(详见本公众号今年6月1日文章)，而MHPS也已在今年早些时候更名为了三菱电力，但是文中提到的各种设计考量仍然值得参考。
原文标题: Rigorous Turbine Validation Process Produces Sustained Reliability Exceeding 99%
原文作者: Carlos Koeneke博士，三菱日立电力系统公司(美洲)，项目工程副总裁
随着技术能力和客户要求不断演进，燃气轮机的测试和验证方法也在不断发展。三菱日立电力系统公司认为，燃气轮机的可靠性指标是对其长期验证流程的最好检验。
为什么要对燃汽轮机的设计进行验证？新型的更先进的燃气轮机的实际运行会暴露出在设计过程中很难预测到的问题。因此，验证过程必须专注于发现那些在追逐更高性能的演进中无意间加入的设计缺陷。
燃气轮机的验证方法在过去20年里有了很大的改进。以前在(客户拥有的)首发电站进行测试的方法已经演变成在原始设备制造商（OEM）的设施上进行的深思熟虑的验证过程，这减少了原型机问题和其后的改正过程对客户的影响。根据保险界的反馈，更全面的验证已经使与新型或原型燃气轮机相关的索赔明显减少。
从车间测试到电站验证
三菱日立电力系统公司（MHPS）早在20世纪80年代就开始在高砂工厂对其燃气轮机进行车间测试。MHPS最初验证燃气轮机的特性和检测设计问题的方法是将燃气轮机与发电机耦合运行，同时使用水刹(Water Brake)来耗散产生的能量。这种方法可以检测到在运行的前几个小时可能出现的典型问题。这些问题包括压缩机喘振、振动、叶尖摩擦、高循环疲劳，以及短期运行期间就可能发生的几种故障机制。
虽然这种方法比起将原型机的验证推迟到客户安装现场是一种改进，但很多故障机制只有在积累了相当长的运行时间后才会发生。(OEM在自有设施内)只执行几个小时的验证，实质上意味着他们是在利用客户的现场进行长期验证。如若不然，长期的OEM内部验证则可能非常昂贵。在OEM工厂延长验证时间的主要障碍是燃料成本，因为燃料成本可以在短短几个月内超过燃气轮机的造价。
MHPS对这一问题的解决方案是建设一座自有的商业联合循环电厂，并与当地公用事业公司签订调度合同。这一概念确保了在满足客户发电需求的同时，还能覆盖测试燃机的运营费用。
图1描述了MHPS的长期验证周期的工作流程。这个周期包括一个连续的过程--最初的设计是在与研究团队的密切互动中开发的。新机组制造完成后在MHPS联合循环电厂（T-Point）进行长期商业化运行，在那里，原型机要在商业调度的运行环境中经受严格考验。
图一，三菱日立电力系统的设计与验证过程(MHPS提供)
我们会进行详细的检查，寻找任何表明有可改进的机会的迹象，在研发成员的支持下，开发出改进的设计，并将其安装回设备中，接受同样严格的验证过程。这个循环反复进行，直到设计人员和研究人员对所产生的可靠性感到满意为止。
在向潜在客户推介之前，MHPS通常会对原型机进行一到两年的长期验证。即使在这个时间点之后，在T-Point的原型机组仍在商业化运行，以履行电站向本地提供电力的合同承诺。使用与在T-Point验证过的新型燃机相同的机型的新电厂还可以从产品的持续改进中受益。因为在新电站建设的两到三年的过程中，从T-Point的连续运营经验中开发出的改进将会被加入到MHPS提供的产品里，改进的重点通常是提高燃气轮机的性能和可靠性。
这种验证方法首先在日本金泽(50 Hz电网)的一个名为K-Point的工厂实现。后来又应用到了高砂工厂(T-Point)的1×1联合循环工厂(60Hz 电网)，如图2所示。
图二，T-Point验证联合循环电站（MHPS提供）
建立商业化验证电站的动机
航空发动机和其衍生的燃气轮机的设计是紧凑和轻巧的，其验证设施可以相对快速地被建立起来（图3）。相比之下，重型燃气轮机涉及到机体的运输和安装，这些机体可能超过30英尺长，重达200至300吨（图4）。重型燃气轮机在车间的验证所涉及的物流昂贵且具有挑战性，而且这些努力和资源只能维持用来评估短期效应的短短几小时的测试。
图三，航空发动机测试(普惠提供)
图四，巨大的机体意味着巨大的挑战。运输一个重型燃气轮机，如图中所示的M501J，是一个挑战，因为它可能超过30英尺长，重量在200到300吨之间(MHPS和GRDA提供)
工程上对长期验证的需要，加上高昂的测试物流成本，促使MHPS建立一个成本上可以自我维持的测试用电站。这个电站不仅可以允许长时间的连续测试，而且可以在需要的时候延长验证时间，以证明设计的改进的有效性。
在T-Point的验证涉及燃气轮机及其辅助系统的运行，这些设备按照MHPS标准的机组布局方案安装，未来采用这些新型燃气轮机的机组也会采取同样的布局方案。该电站复制了未来客户电站将要经受的25到30年的运行条件。燃气轮机机组的震动简正模在很大程度上取决于以下几个因素：连接的设备；单个设备的惯性和连接类型：轴承跨度；以及各个支撑件的刚度，阻尼，和热胀系数。
使用标准的发电机尤为重要，因为它的质量和惯性与其他类型的设备有很大的不同。机组外包围结构和通风系统的正确设计，使测试用以模拟机组在不同负荷下和不同季节中运行情况的进气冷却系统成为可能。通过与电网连接运行，与发电相关的电力设备，包括励磁，自动电压调节器及其保护装置都可以在长期验证期间得到测试。
短期验证的局限性
许多失效机制高度依赖于时间，而另一些则依赖于时间和温度。低循环疲劳，热疲劳，蠕变，和热障涂层劣化等几个对燃气轮机稳定运行特别重要的失效机制都需要通过长时间的运行才会恶化和被发现。
短期验证是在设备崭新的情况下进行的，这增加了评估原型机性能老化衰退特性的难度。此外，磨损及其造成的性能衰退会诱发燃烧不稳定，而这些燃烧不稳定可能不会存在于崭新的燃机上。
燃气轮机的验证测试可能包括一些在实际运行中永远不会涉及的极端运行情况下的测试。这些测试用以证明新燃机可以承受这些极端运行情况下的产生的应变。然而，潜在用户和保险公司通常会担心这些测试对燃机硬件造成的永久性的损伤，因而不愿购买这些原型机。在T-Point测试的原型机组将会留在T-Point，永远不会被以新机的名义销售给客户。
数据与需求条件
数据收集和分析一直是科学和工程进步的重要基石。在过去几十年中，计算能力，仿真方法，和传感器技术经历了巨大的进步，进一步提高了本行业对个别故障和失效机制的理解。
在新型燃气轮机的测试或运行过程中，可以收集到大量的数据，这可以增强设计人员对不同潜在故障机理的理解；但是，由于部件，特别是热端部件，的应力载荷很复杂，我们仍然很难将收集到的数据和由此产生的故障及其机理完全关联起来。
遗憾的是，这一局限性不能简单地通过增加采集和分析的数据数量来克服。燃气轮机的故障根源分析(Root Cause Analysis, RCA)的复杂性彰显了这一事实。尽管有损坏的部件，事故前和事故中收集的大量数据，以及才华横溢经验丰富的冶金学家和断裂力学专家的帮助，RCA通常得出的是一个可能的情况的清单，而不是一个明确的原因。
毫无疑问，燃气轮机的设计已从近些年计算能力的进步获益匪浅，但是要验证部件对复杂的故障机制的抵抗力，以及它们在长期运行下的耐久性，只能通过在不同载荷条件下的长期持续的运行测试来确定。
下一代验证电站的演变
在K-Point和T-Point投入商用时，上述计算能力还没有今天这么先进。更强大的计算系统在研发设施中的应用，以及对现有T-Point验证电站的数据采集系统进行有效改造的持续努力，都大大提升了MHPS对复杂应力相互作用和潜在失效机制的理解。然而，对于MHPS来说，20多年前得出的结论仍然没有改变：无论在实验室或短期受控运行中收集的数据量有多少，长期运行结果才是部件对时间依赖性失效机制的抵抗力和耐久性的最终检验标准。
MHPS G系列燃气轮机是第一个在T-Point接受全面验证过程的产品。如今，根据知名第三方公司Strategic Power Systems (SPS)的数据，G系列机队的五年滚动平均可靠性已达到99.1%。最近新增的J系列燃气轮机产品线，目前已有17台机组在全球范围内投入商业运行，也经历了同样严格的验证过程。截至目前，M501J机队已经积累了超过22万小时的实际运行时间，更重要的是，已经取得了与MHPS的M501G产品线相当的超过99%的可靠性记录。
在以往长期验证经验的基础上，目前MHPS正在T-Point附近建设一个全新的先进的联合循环验证电站。这个新的联合循环电站将采用最先进的计算工具，但最重要的是，它是基于MHPS标准电站布置方案设计的，也将连接到电网进行长时间的验证。这项巨大的投资清楚地表明了MHPS的信念，即需要短期和长期的验证来降低故障风险和提高可靠性。