【长知识】三菱揭示其燃气轮机研制成功的四要素
导读：近日，三菱日立动力系统美洲公司（MHPSA）项目工程副总裁Carlos Koeneke在接受采访时表示，三菱重型燃气轮机在市场上的成功归因于几个关键因素：高效率、高可靠性、高可用性和高可维护性。那如何达到这些指标，Koeneke认为有4个重要的因素。
在世界三大燃气轮机制造商中，三菱曾经是被最忽略的一个，长期市场老三！技术来自西屋！然而2018年的三菱却表现非同一般，在竞争对手西门子和GE竞相裁员的情况下，三菱却在2018年一季度拿下了市场份额的第一。并且又在上个月中标了华电青岛燃机热电联产工程项目和华电顺德清远（英德）经济合作区燃机热电联产项目，将在华的M701F重型燃机数量增至68台。
Koeneke表示，毫无疑问，高效率是燃气轮机产品成功的“圣杯”，但可靠性、可用性和可维护性对于燃气轮机产品的长期持续运营也非常重要，因此对一型燃气轮机进行充分的验证对于OEM厂商来说，非常必要。
第三方验证公司战略动力系统公司的(Strategic Power Systems)从三菱的多个客户群中收集大量数据来进行分析，通过统计该公司4台M501G燃气轮机在2012~2017年的数据，显示M501G的可靠性、可用性和可维护性这些系数为99.26%。
Koeneke认为MHPS公司先进燃气轮机的高可靠性、高可用性和高可维护性是通过几项关键的设计、制造决策以及独特的验证测试方法来实现的。
从OEM厂商的角度来看，他认为有四个主要因素：
使用成熟的材料
MHPS公司像其它OEM厂商一样，也把提高透平进口温度作为提高燃气轮机效率最有效的手段，该公司表示，其最新型号空冷型的M501JAC的透平进口温度已经达到了1650°C。
Koeneke解释说，MHPS公司在燃气轮机研发过程中，会尽量通过改进涡轮的冷却方式，从而使得成熟的低合金轮盘就可以长期运行，而消除热端部件对单晶热锻部件的需求。
但他也强调，应该尽量避免使用复杂的合金材料，因为这些合金材料也许能够很好的防止蠕变，但却容易在高温和高压下出现失效，这是MHPS公司设计燃机的基本准则之一。
他说：“我们使用一些外部冷却器来达到我们的目标，这是我们从上世纪60年代后期与西屋合作研发开始的，一直到今天。”
他解释说，“如果热端部件暴露在高温环境中，则有与蠕变相关的失效风险。因此你有两种选择来对热端部件降温，一种是给冷却空气降温，以更好的冷却高温部件，这就是我们所做的，同时我们通过良好的热管理设计来回收冷却空气中的热量；或者你开始使用能够承受高压和高温环境的新材料，比如高镍含量的精密金属材料，它们确实具有更好的抗蠕变性能，但在抗裂纹方面却表现不佳。”
集中式加工制造
Koeneke表示MHPS公司在维修翻新和制造热端部件方面采用遵循集中式加工制造的方法，通过这条原则来确保所有的部件都是根据MHPS公司的质量控制系统和时间交付要求制造。
Koeneke解释说：“MHPS公司不喜欢太复杂的供应链，使用分供应商可以获得更好的成本效益，但最终你会依赖于他们的质量控制。我们知道许多铸造失败导致重大损失和巨额索赔的例子，而我们很少遇到投诉问题。
他指出，从不同的供应商处购买铸件，然后与其它公司合作处理加工和内部冷却打孔，然后再让其它供应商进行热障涂层的方式可能会实现一定的成本降低，但存在不利因素。“如果有人试图以更便宜的价格来完成这项工作，那么他可能会有一些取舍，并且在某些情况下，更便宜的零件会导致更快的项目失败。”他说。
Koeneke 表示：“我们的铸件是在我们已经使用多年的经过良好验证的日本铸造公司完成的，然后我们在日本或佛罗里达州奥兰多的零部件制造厂内执行整个加工过程。在那里，我们按时按照严格的内部质量标准完成了该部件交付前的所有工作，这对后续产品的可靠性和可用性有直接影响。”
保守的设计方法
据Koeneke称，保守的设计方法也是三菱燃机成功的关键。
他表示：“这可能有些矛盾，因为增加透平入口温度带来高效率的同时，就会带来风险影响可靠性。这成为了燃气轮机设计中最苛刻的挑战。” 他认为三菱的秘诀就是徐徐图之，逐步实现目标。
Koeneke说：“我们几十年来一直这样做，主要是因为在日本和其它亚洲国家，这些国家的燃料要比美国贵得多。我们先研发了F级燃机，然后在此基础上搞出了蒸汽冷却的G级燃机，然后再研制了空冷型的G级燃机GAC，多年后，我们又推出了蒸汽冷却的J级燃机，并再次又成功的研制了空冷型的J级燃机JAC。”
“我们一直避免仅仅关注灵活性，低负载，低排放和其它良好的特性，而忽视效率。这会导致我们错误地认为，在像美国这样的低燃料成本国家，效率并不重要。”
“而且尽管燃料成本低，美国的客户也希望提高效率。我们继续了我们渐进的透平进口温度增长轨迹，而不是试图用一种激进的设计迅速实现它，这样往往意味着高风险。”
使用真正的发电厂来验证
MHPS公司于1997年就在兵库县高砂市的Takasago工作中心建设了一个高度仪表化的‘T-point’验证工厂，M501G系列燃气轮机的性能和耐久性测试始于此。
Koeneke说：“在20世纪60年代和70年代的十年间，燃气轮机的主要测试是在首批用户的电厂里完成的，我们仅仅就单个部件进行了实验室测试，但没有对最终组装的产品进行测试。然后这型燃机产品到达用户的电厂后，开始出现一些令人头疼的毛病，需要我们花很长时间来确定和纠正这些问题。”
“在80年代，公司开始推行厂内试车。我们在工厂安装了第一台完整的燃机和设备，这是一个很大的努力，因为这些设备重达几百吨。你把它放在支架上，连接很多传感器、电缆、管道和许多其它需要操作的设备，然后运行几个小时。我们还需要想办法消耗掉燃机产生的功率，这是另一个相当大的努力。我们使用了液压制动器、水力测功机等其它能量消散方法。
“同时，大型燃气轮机的燃料消耗成本也非常惊人，如果您只是进行一次厂内测试，除了测试燃机花费大量燃料费用之外，您没有获得任何经济利益。即使在美国，运行一台大型燃气轮机也会需要每年1亿美元左右的燃料，所有显然你很难长期维持这种测试。”
“而我们又希望长期运行燃机，因为有很多故障需要燃气轮机进行相当长时间的运行和启停之后才会发生。你肯定从没有听过医生要求家长检查一个新生婴儿的胆固醇，这是因为只有你长大后，你才会有高胆固醇。燃气轮机也会发生同样的情况：燃气轮机只有积累了大量的启停次数，或者在某些需求条件下长期运行，才会出现低循环疲劳和其它类型的故障。”
机制在机器运行了相当多的时间和启动之后才会发生。你从来没有听过医生要求家长检查一个新生婴儿的胆固醇 - 直到你长大，你才会有高胆固醇。燃气轮机也会发生同样的情况：一旦机器积累了大量的启动和停止，或者在某些需求条件下运行，就会出现低循环疲劳和其他类型的故障。“
MHPS公司的解决方案是在其工厂内建设一座发电厂，然后与当地供电公司如关西电力签订合同，出售其电力。
Koeneke说：“我们花了几亿美元建造一座发电站，但不是为了赚钱，而是通过卖电来回收投资、燃料费、运营和维护等相关的所有费用。”
“这样我们就可以把改装后的燃气轮机安装到试验电厂里，而关西电力告诉我们何时启动、停机、加减负荷。”
“这样我们就可以根据燃机的运行安排，使用管道镜观察燃气轮机内部，有时我们甚至直接对其进行开缸检查。如果发现零部件运行不好或有问题，设计人员就会根据反馈进行修改并重新安装进行试验。这样我们在销售我们的燃机时，它已经在‘T-point’验证电厂进行了充分的测试。我们在新产品推出时，至少运营2~3年，这对于检测和纠正问题非常有用，对于测试对策来说更加重要。”
“在低需求期间，根据派遣情况，允许我们使用管道镜观察燃气轮机内部，有时我们允许打开它。如果零部件发现形状不良，则设计人员会开发修改并安装修改过的零件。在我们销售类似机器的时候，测试点的测试将继续进行，而新厂房的建设正在进去。随着我们介绍的变化，我们至少需要2~3年的运营，这对于检测和纠正问题非常有用，对于测试对策来说更加重要。”
Koeneke解释道：“因为我们的验证条件就是标准设计的发电厂，我们将燃气轮机安装在标准基座，并且配备标准的发电机，如果出现问题，我们可能会通过验证工具很快检测到具体的问题。”
根据Koeneke的说法，MHPS公司建立这样的验证电厂的原因“非常简单”。
Koeneke说：“想象一下，一家公司要花费数亿美元研发一型满足投资回报率ROI要求的产品，在这样的要求下，很容易得出结论，你最好在验证上只花费一小部分投资，并试图在推出时尽可能多地发现潜在的问题。”
他说，日本公司则是完全不同，对于一家日本公司来说，其产品的声誉至关重要，“与此相关的是一种巨大的自豪感，这也是一种做生意的方式。”
他补充说，T-point试验电站的充分测试使得MHPS公司能够检测到由于长期运行而导致的许多问题。
“比方说，我们只在测试台上进行几百小时的验证，并在完成厂内测试后立即出售燃机。然而，燃机电厂的后续建设也将需要两到三年的时间。与此同时，将无法再进行进一步的厂内测试验证，新的燃气轮机也将不会进一步验证或改进。相反，我们的T-Point试验电站可以在新电厂建设的同时继续运行，使我们能够通过长期验证、检测和纠正燃机产品。”
“例如，我们在J级燃气轮机中发现的一个问题涉及到第一级涡轮叶片的散裂问题。这可能会造成灾难性的失败，但我们很早就注意到了它。设计团队改变了内部冷却方案，将冷却空气的来源从叶片内相对较热的来源改为较冷的来源，然后我们运行燃机足够长的时间以确信这些部件能够在不同的环境长期稳定工作。”
“这种方法还可以帮助我们确定燃机真实的检查间隔，这些检查间隔是基于多年验证后部件的状况来确定的，我们采用逐渐增加间隔时间的方法来最终确定，而不是根据工程假设可以提供很长的间隔。“
Koeneke还指出，T-Point试验电站运行的燃气轮机就是在真实的运行条件下运行。他说：“关西电气公司决定什么时候启动和停机，什么时候运行在最大或最小负荷。这些都是现实世界的条件，我们必须以3600 rpm运行，因为这是电网频率。确实，我们不能在不同的转速下进行负荷测试，但是当客户购买发电厂时，它也将在3600rpm 运行30年，而不是在随机的转速条件下运行。”
不过虽然Koeneke提供了几个他认为可以解释MHPS公司产品成功的因素，但他警告说，只有精心设计和正确安装的燃机是不够的，燃气轮机运营商也必须遵循良好的操作规范以及良好的维修维护程序。