導讀：6月1日，《POWER》雜志令人意外的授予日本三菱公司的燃氣輪機試驗電站T-Point 2為年度最佳電廠，并且認為其可能改變未來電廠的運行方式。除了為三菱的新型燃氣輪機提供與實際電廠一樣的運維環(huán)境外，該電廠還有望推動未來燃氣輪機電廠自動化技術的發(fā)展。
T-Point 2試驗電廠于2017年底開始施工
像大多數(shù)復雜的設備一樣，燃氣輪機需要大量的工程設計才能確保其能夠可靠運行數(shù)十年而不會出現(xiàn)主要部件故障，因為失敗的后果可能是巨大的，除了對電廠造成停機和額外維修成本外，災難性故障還會導致人員受傷甚至死亡，這是不可接受的。
為了最大程度地減少出現(xiàn)故障的可能性，并證明組件可以長時間正常工作，所有燃氣輪機制造商都會進行嚴格的測試，并在一段時間內(nèi)使用同類產(chǎn)品來驗證設計。重要的是，不僅對于客戶，即便對于燃氣輪機制造商而言，了解組件都能承受最惡劣的服役條件也很重要。不過，對于從設計到驗證這一過程，全球沒有2家公司是完全相同。
在某些情況下，燃氣輪機制造商會以很大的折扣價出售“首臺設備”，甚至為客戶支付部分運營成本來推動在客戶現(xiàn)場驗證燃機。另一個辦法就是燃氣輪機制造商進行廣泛的試車試驗，以達到即便沒有長期實際運行仍能證明其設計可行，不幸的是，這種方法可能會導致某些僅在運行期間的缺點無法在試車試驗期間發(fā)現(xiàn)，從而導致后續(xù)不得不對相關組件進行大規(guī)模升級，導致整個項目虧損。
燃氣輪機制造商自建電廠來驗證新型燃機性能
三菱日立動力系統(tǒng)(MHPS)公司以一種完全不同的方式來驗證其研制的燃氣輪機。三菱重工(MHI)于1992年在日本橫濱金澤市建立了首個50 Hz示范電廠，稱為K-Point。該電廠的目標是在實際運行條件下驗證該公司旗下的新研燃氣輪機。(順便說一下，三菱重工和日立公司于2014年2月合并其火電業(yè)務，合資建立了MHPS，但在2019年12月，日立宣布將退出該合資企業(yè)，而MHPS在2020年4月24日表示將更名為三菱電力，目前正在等待多個國家/地區(qū)反壟斷機構(gòu)的批準。)
1997年，三菱重工在其位于日本神戶以西約50公里的高砂機械制造廠開設了一個60 Hz的示范電廠，稱為T-Point。T-Point發(fā)電廠是獨特的設施，旨在對燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的運行進行長期驗證測試，同時將產(chǎn)生的電力輸送給當?shù)仉娏尽?/p>
MHPS高級副總裁兼首席技術官正田-純一郎(Junichiro Masada)在接受采訪時表示：“三菱是燃氣輪機制造商里首個自建示范電廠的，這徹底改變了先進燃氣輪機的驗證方式。在T-Point試驗電廠建成之前，比如60 Hz的M501F燃氣輪機，進行了滿負荷試車測試(運行了100小時)，而50 Hz的M701F燃氣輪機，則在橫濱K-Point電廠進行了部分負荷測試(但時間有限)。由于測試時間過短，導致我們在F級燃氣輪機上遇到了多個問題。”
遭受這些經(jīng)驗教訓后，MHPS決定在T-Point電廠上對60 Hz的M501G燃氣輪機進行長期驗證，完成后，再繼續(xù)對50 Hz的M701G燃氣輪機進行驗證，從而保證這些產(chǎn)品實現(xiàn)100%的可靠。
正田解釋道：“之后，我們又在T-Point電廠上對J級重型燃機進行了類似的試驗，因此，我們今天對M501J和M701J的可靠性非常有信心。直到我們又開發(fā)出了M501JAC重型燃機，由于其容量(功率)太大而無法在T-Point電廠上運行，因此我們決定新建T-Point2試驗電廠，M501JAC重型燃機的初步驗證已經(jīng)完成，我們將在T-Point2試驗電廠上對它進行長期驗證。”
T-Point2試驗電廠于2017年動工，大部分主要工作均按原計劃完成，包括建造余熱鍋爐(HRSG);燃氣輪機，汽輪機和發(fā)電機的安裝;HRSG的水質(zhì)測試;全區(qū)受電;燃氣輪機旋轉(zhuǎn)。MHPS在4月2日宣布開始對T-Point 2試驗電廠進行調(diào)試，計劃于2020年7月1日投入商業(yè)運營。
燃氣輪機交付
T-Point2試驗電廠與M501JAC燃氣輪機的容量相匹配
正田表示：“每個項目都有時間表，其中包括針對不可預見問題的應急計劃。但是，我們在T-Point2試驗電廠上的大部分活動均如期完成，因此我們無需部署應急計劃。”
MHPS在2015年將蒸汽冷卻M501J升級為空氣冷卻的M501JAC。M501JAC的設計在T-Point電廠上進行了驗證，直到2019年，然后在市場上銷售。而在JAC系列重型燃氣輪機進行完全商業(yè)化運行之前，它將可以在T-Point2試驗電廠上繼續(xù)運行2年。在此期間，在T-Point2試驗電廠發(fā)現(xiàn)的任何問題都將被修改并接受驗證。這也使得MHPS的驗證方法具有獨特性，因為它不僅涵蓋原始設計，還涵蓋修改。
燃氣輪機轉(zhuǎn)子正在安裝中
MHPS的J系列燃氣輪機是在經(jīng)過驗證的G系列燃氣輪機設計上發(fā)展而來的。M501JAC燃氣輪機采用空氣冷卻器代替蒸汽冷卻器，從而使燃燒器具有較高的可操作性，包括比M501J更短的啟動時間。
追求更高的效率
像所有燃氣輪機制造商一樣，MHPS也一直在努力安全地擴大運行范圍的同時，實現(xiàn)最高效率，因為這可以為業(yè)主節(jié)省數(shù)百萬美元的燃料成本并降低排放，該公司聲稱T-Point 2試驗電廠已配備了“市場上最高效的重型燃氣輪機”。
燃氣輪機效率的提高主要是通過提高壓氣機壓比，最大程度地減少冷卻空氣量以及提高透平進口溫度來實現(xiàn)的。MHPS的技術具有高壓縮比(從23：1到25：1)，最佳的先進冷卻和增強的熱障涂層(TBC)的組合，可以實現(xiàn)較高的燃燒溫度。
燃氣輪機檢查
正田說：“在T-Point 2試驗電廠，我們記錄了目前市場上最高的透平入口溫度(1,650攝氏度)，這要歸功于具有最先進的TBC和空氣動力學的最佳冷卻氣流。所有這些都導致了行業(yè)領先的效率，在T-Point 2試驗電廠測量和確認的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率為64%。”
正田進一步解釋道：“我們還將通過使用日本國家項目開發(fā)的技術(1,700oC級超高溫燃氣輪機技術開發(fā)項目)，該項目旨在將燃氣輪機透平進口溫度提高到1,700oC，來驗證效率是否達到65%以上。”
證明燃氣輪機的可靠性需要時間
正田指出，MHPS認為在全面長期運行下驗證燃氣輪機很重要，也很必要。
機械故障，例如高周疲勞通常發(fā)生在運行100小時后。但是，其它故障模式，例如低循環(huán)疲勞(LCF)，僅在運行10,000小時后才會發(fā)生。實際上，LCF的主要破壞通常發(fā)生在燃氣輪機運行一到兩年后。
長期運行后，典型的現(xiàn)場問題還包括氧化，腐蝕，蠕變和微動。MHPS的驗證方法有助于確保將燃氣輪機安裝在客戶現(xiàn)場后獲得最佳的長期性能。除此之外，保險也要求至少8,000小時的運行時間作為機組可靠性的關鍵標準。
管理施工
盡管MHPS是一家典型的燃氣輪機制造商，但它也是一個工程，采購和建筑(EPC)公司，在全球范圍內(nèi)提供交鑰匙工程。因此，T-Point 2項目由該公司的EPC團隊管理。正田指出，這項工作得到了很好的協(xié)調(diào)，因為MHPS能夠與以前與日本合作的合作伙伴合作。
顯然是OEM，但它還是工程，采購和建筑(EPC)公司，在全球范圍內(nèi)提供交鑰匙工程。因此，T-Point 2項目由該公司的EPC團隊管理。Masada指出，這項工作得到了很好的協(xié)調(diào)，因為MHPS在該項目上的合作伙伴很多在之前就合作過。
燃氣輪機控制室團隊
日本的建筑標準在世界范圍內(nèi)也得到公認。就T-Point 2試驗電廠而言，建造工作與東京奧運會的建造標準一致，日本東京奧運會定于今年夏天舉行，但由于新型冠狀病毒大流行，導致推遲到了2021年。盡管如此，仍為T-Point 2試驗電廠仍準備了一支高素質(zhì)的員工隊伍，在施工高峰期，該項目每月記錄約20,000個工日。
正田說：“我們進行了強化培訓，以維護工人的安全和健康，并提高工作質(zhì)量。一些關鍵的入門培訓包括建筑安全，道路安全，防災以及健康和安全培訓。提供培訓是為了提高工人在開始從事該項目之前的技能，其結(jié)果是非常正面。”
培訓帶來了紅利。該項目的誤工率是驚人的0.00，可記錄的總事故率是非?？捎^的0.26。正田說：“即使我們在嚴格的時間表內(nèi)工作，我們也能取得如此出色的安全成果，我們?yōu)榇烁械阶院馈?rdquo;
除培訓外，MHPS還提供了一些對策，以維護安全和提高生產(chǎn)率。例如，在炎熱的夏季，工人使用“空調(diào)服”以保持涼爽并防止中暑。促成更安全，更高效的工作環(huán)境的其他首創(chuàng)技術還包括混合現(xiàn)實技術和塊體隔熱系統(tǒng)。
在構(gòu)建階段使用混合現(xiàn)實來模擬裝配過程，該過程包括將實際工廠疊加在3D模型上。使用該工具，團隊能夠模擬大型設備的搬入和搬出，并以虛擬方式組裝主機。該技術使工人能夠顯著提高生產(chǎn)率和質(zhì)量控制。
專有的塊狀絕緣系統(tǒng)是一種用在燃氣輪機殼體中安裝絕緣的方法，可顯著提高生產(chǎn)率。借助這種技術，團隊僅用240個工時就可以完成以前需要1200個工時的工作。
正田表示：“混合現(xiàn)實和塊絕緣系統(tǒng)解決方案非常有效，我們期望在未來的項目中使用這些技術。”
克服挑戰(zhàn)
由于T-Point 2項目的存在，當?shù)厣鐓^(qū)的交通擁堵存在潛在的問題。高砂的三菱工廠本身就擁有7,000多名員工，而在電廠施工階段這一數(shù)字還有所增加。如果不采取任何措施，那么在早上通勤和其他高峰旅行時間，可能會造成嚴重的交通堵塞。
正田說：“我們實施了一個稱為射頻識別(RFID)的系統(tǒng)，每輛定期進入高砂工廠的車輛都配備了一種裝置，以便可以在入口處對它們進行跟蹤和登記，從而減少了入口停機時間。這樣的解決方案使我們的員工和居民感到高興。”
噪音污染是另一個障礙。為了緩解該問題，MHPS在該場所附近安裝了隔音墻。
發(fā)電廠聲音很大，當居民區(qū)離電廠很近時，這可能是個問題。為了減少噪聲污染，MHPS安裝了隔音屏障，例如在該圖的左側(cè)建造了墻壁。
但是，項目管理團隊面臨的最大挑戰(zhàn)是由于供應商的錯誤，未能按時交付設備。T-Point2試驗電廠的設計采用風冷冷凝器(ACC)而非海水冷卻系統(tǒng)，以支持海洋環(huán)境保護。但是，ACC供應商在制造某些組件時遇到了質(zhì)量控制問題，導致該系統(tǒng)的交付推遲了兩個月。
正田解釋說：“為了減輕延遲，我們通過采用新的組裝方法設計了一種創(chuàng)新的解決方案。我們最初的計劃是依次添加四個車道。相反，我們在短臂起重機上增加了一臺長臂起重機，能夠進行并行工作，最終趕上了進度。”
技術是T-Point 2試驗電廠的核心
可以說，T-Point 2試驗電廠最具創(chuàng)新性的特征是MHPS-TOMONI技術的集成。TOMONI是一套由用戶驅(qū)動的數(shù)字化電廠解決方案，其尖端的分析和MHPS的豐富經(jīng)驗為其提供了動力。它將大量的大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的可行見解，可以提高電廠的效率和盈利能力。借助TOMONI，T-Point 2有望成為世界上第一個自動聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。
正田說：“隨著我們進入數(shù)字時代，重要的是盡可能地利用新興技術來優(yōu)化運營，同時最大限度地提高經(jīng)濟效益。MHPS從2000年代初開始就在T-Point1電廠中實施TOMONI解決方案，從遠程監(jiān)控系統(tǒng)開始。從那時起，我們的TOMONI技術已經(jīng)發(fā)展到可以自動進行某些功能進行遠程操作的地步。實際上，T-Point2試驗電廠的許多功能已經(jīng)實現(xiàn)了自動化。”
T-Point 2試驗電廠的AI-CPFM(人工智能-燃燒壓力波動監(jiān)測)系統(tǒng)是一個明顯的示例，該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境溫度，燃料成分和電網(wǎng)頻率變化進行快速參數(shù)調(diào)整，從而將燃燒波動降至最低。AI-CPFM系統(tǒng)目前正在T-Point 2試驗電廠進行系統(tǒng)驗證。
TOMONI還可以通過研究組件壽命預測，和預先預測可能的故障來分析維護計劃?，F(xiàn)在，使用AI技術可以自動執(zhí)行多個警報，以便操作員(無論是現(xiàn)場還是遠程)都可以得到適當?shù)闹甘荆詼p輕強制性停機的情況。
T-Point 2試驗電廠的2020年
對于T-Point 2這個最先進的試驗電廠，在施工過程中出現(xiàn)意料之外的問題并不少見。對于施工團隊來說，最大的驚喜也許就是項目從頭到尾的平穩(wěn)性。然而，許多成功都可以歸因于良好的計劃。MHPS完成了多項新的設計審查，這些審查有效地反映在施工和調(diào)試活動中。
燃氣輪機總裝
出色的計劃是T-Point 2試驗電廠成功的關鍵。然而，讓設計團隊與項目保持緊密聯(lián)系，可以使任何必要的更改更容易及時實施。
正田強調(diào)道：“我們感到驚訝的是，我們沒有看到任何重大‘驚喜’，鑒于設計辦公室位于數(shù)分鐘之遙，因此，一旦出現(xiàn)問題，我們就能立即訪問實際的施工現(xiàn)場。輕松進入施工現(xiàn)場有助于我們快速做出設計決策，以確保項目順利進行。”
如前所述，調(diào)試預計將在2020年7月1日完成。盡管這個復雜的建設項目涉及空間限制，但據(jù)報道調(diào)試工作進展非常順利，有4300多個傳感器，例如熱電偶，壓力傳感器和其他探測器。
2020年該試驗電廠取得的顯著成就還包括：
燃氣輪機首次點火– 2020年1月21日
全速空載運行– 2020年1月22日
25%負荷運行– 2020年1月29日
50%負荷運行– 2020年1月31日
滿負荷運行– 2020年2月5日
臨時拆除蒸汽管道– 2020年2月8日至24日
管道鏡檢查– 2020年2月14日
聯(lián)合循環(huán)運行開始– 2020年2月27日
聯(lián)合循環(huán)滿負荷運行– 2020年2月28日
一旦T-Point 2試驗電廠完全調(diào)試完畢，原先的T-Point電廠將退役，并已達到預期目的。MHPS總裁兼首席執(zhí)行官Ken Kawai表示：“多年來，我們已經(jīng)證明了我們有能力開發(fā)和制造用于發(fā)電行業(yè)的最前沿解決方案。在原始T-Point電廠的基礎上，T-Point 2試驗電廠將使我們能夠擴大新型燃氣輪機的試驗范圍，以滿足全球不斷變化的發(fā)電需求。”
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