التقدم البحثي والاتجاهات التطويرية للتوربينات الغازية الثقيلة وطلاء الحواجز الحرارية الخاصة بها (1)

في مجال الصناعات الثقيلة، يتم استخدام معدات توليد الطاقة من نوع تحويل الحرارة إلى طاقة بشكل شائع - وهي التوربينات الغازية الثقيلة. بسبب حجمها الصغير ودورة حياتها القصيرة وكفاءتها العالية وتلويثها الأقل وغيرها من الخصائص، يتم استخدامها على نطاق واسع في الحمل الذروي لشبكة الكهرباء، واستخراج ونقل الطاقة، وتحلية المياه، وتوليد الطاقة في البحار، والطاقة المتقدمة للسفن، والطيران الفضائي وغيرها من المجالات، ويُطلق عليها "لؤلؤة الصناعة". وفي معنى معين، فإن مستوى التطوير الشامل لصناعة التصنيع الوطنية مرتبط ارتباطًا وثيقًا بمستوى البحث والتطوير للتوربينات الغازية الثقيلة.

في عام 1939، أنتجت شركة بي بي سي السويسرية أول توربين غازي صناعي في العالم ل GENERATION الكهرباء، مما بدأ مرحلة التطوير السريع للتوربينات الغازية الثقيلة حول العالم. في السنوات الأخيرة، زاد الطلب على الحفاظ على الطاقة والحماية البيئية، وتم تحسين المتطلبات الأداء للتوربينات الغازية الثقيلة نحو هدف تحقيق كفاءة عالية وتقليل الانبعاثات [1]. هناك عاملان رئيسيان يؤثران على كفاءة التوربينات الغازية: الأول هو درجة حرارة مدخل التوربين، والثاني هو نسبة ضغط المكبس. من بينهما، الشيء الأكثر أهمية هو كيفية زيادة درجة حرارة مدخل التوربين [2]. لذلك، فإن شفرات التوربين، باعتبارها المكونات الأساسية للتوربينات الغازية، تعتمد على ثلاث نقاط رئيسية لتحسين درجة حرارة مدخل التوربين، وهي المواد المعدنية المقاومة للحرارة العالية، والتكنولوجيا التبريد المتقدمة، وتكنولوجيا طلاء الحواجز الحرارية.

في السنوات الأخيرة، تم تطوير تقنية تشكيل بلورات الاتجاهية/البلورة الواحدة من السبائك الفائقة، وتقنية الطلاء الحائل الحراري وتقنية التبريد بالغشاء الغازي بشكل عنيف [3]. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن استخدام الهيكل التبريد المصمم يمكن أن يقلل من درجة حرارة سطح مكونات الجزء الساخن (شفرات التوربين، غرف الاحتراق، إلخ) بنحو 500 درجة C، لكنه لا يزال غير كافٍ لmeeting المتطلبات. ومع ذلك، من أجل مواصلة تحسين تقنية تبريد التوربينات، فإن الهياكل التبريدية المصممة والمقتنيات من قبل الباحثين ليست فقط معقدة للغاية، ولكنها أيضًا صعبة في المعالجة. بالإضافة إلى ذلك، العديد من السبائك الفائقة المستخدمة في تصنيع شفرات التوربينات الغازية الثقيلة قد وصلت إلى درجات حرارة حدودها، بينما لم تكن المركبات المصفوفة السيراميكية ذات المقاومة الحرارية الأفضل ناضجة بما يكفي للتطبيق [4]. بالمقارنة، توفر تقنية طلاء الحواجز الحرارية تكلفة أقل وأداء عزل حراري ممتاز. أظهرت الدراسات أن طلاء الحاجز الحراري بسمك 100 ~ 500 μ m يتم إيداعه على سطح شفرة التوربين باستخدام تقنية الرش الحراري، مما يمكن من تجنب الاتصال المباشر بين الغازات عالية الحرارة وشفرة التوربين الخاص بالتوربين الغازي الثقيل، ويقلل من درجة حرارة السطح بمقدار حوالي 100 ~ 300 ℃ ، بحيث يمكن تشغيل التوربين الغازي الثقيل بأمان [5-6].

لذلك، بناءً على اعتبارات عوامل مختلفة، فإن الطريقة الوحيدة الممكنة والفعّالة لتحقيق كفاءة عالية وانبعاثات منخفضة وعمر طويل للمحركات الغازية الثقيلة هي تقنية طلاء الحواجز الحرارية. تُستخدم هذه التقنية بشكل واسع في مكونات نهاية الاحتراق الساخنة لمحركات الغاز والمحركات النفاثة. على سبيل المثال، يتم رش طبقة عازلة حرارية على سطح شفرة التوربين لعزلها عن الغازات ذات درجة الحرارة العالية، مما يقلل من درجة حرارة سطح الشفرة ويُمدد عمرها الافتراضي، ويسمح لها بالعمل عند درجات حرارة أعلى، وبالتالي تحسين كفاءة محرك الغاز. منذ تطويرها في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات، لاقت تقنية طلاء الحواجز الحرارية اهتمامًا كبيرًا وتم ترويجها وتطويرها بقوة من قبل العديد من المؤسسات البحثية ومصنعي الطلاء حول العالم، ويزداد الطلب على تقنية طلاء الحواجز الحرارية في الصناعة الحديثة بشكل متزايد. لذلك، فإن دراسة طلاء الحواجز الحرارية لمحركات الغاز لها أهمية عملية واستراتيجية كبيرة.

في السنوات الأخيرة، يظل الطلاء الأكثر استخدامًا للتوربينات الغازية الثقيلة هو زركونيا المستقرة باليتريوم (6-8YSZ) بنسبة كتلة تبلغ 6٪ ~ 8٪، لكن طبقة YSZ عرضة ليس فقط للتغير الفазي والتحميص، ولكنها أيضًا عرضة للاهتراء الناتج عن الأملاح المنصهرة عند درجات حرارة تتجاوز 1200 ℃ . أي اهتراء CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 وغيرها من المواد السيليكاتية) والاهتراء الحراري. وذلك بهدف جعل الطبقة تعمل عند درجات حرارة تتجاوز 1200 ℃ على مدار فترة طويلة، بذل الباحثون جهودًا كبيرة، تشمل العثور على وتطوير طبقات عازلة حرارية جديدة، وتحسين عملية إعداد الطبقات العازلة الحرارية، والتحكم في بنية الطبقة. لذلك، وعلى أساس مناقشة الوضع الحالي لأنظمة التوربينات الغازية الثقيلة والهيكل النظامي، المواد وطرق الإعداد للطبقات العازلة الحرارية، يلخص هذا البحث حالة الدراسات حول طبقات عازلة حرارية للتوربينات الغازية المقاومة للفساد CMAS وغيرها من الخصائص الرئيسية، مما يقدم مرجعًا لأبحاث الطبقات العازلة الحرارية المقاومة للفساد CMAS.

1 الوضع والاتجاهات التطويرية للتوربينات الغازية الثقيلة

منذ أن ظهرت أول توربينة غازية في العالم عام 1920، بدأت التوربينات الغازية بالتطور بسرعة في المجال الصناعي. وفي السنوات الأخيرة، يستمر حجم سوق التوربينات الغازية الثقيلة العالمية في النمو، حيث تولى الدول المزيد من الاهتمام بتطوير التوربينات الغازية الثقيلة وزيادة الاستثمار المالي والبشري، مما أدى إلى تحسين مستمر لمستوى التقنية في التوربينات الغازية الثقيلة. يتحدد مستوى التكنولوجيا للتوربينات الغازية الثقيلة بناءً على درجة حرارة مدخل التوربين، ويمكن تقسيمها إلى فئات E وF وH وفقًا لمدى الحرارة [7]. ومن بينها، قدرة الفئة E تتراوح بين 100 إلى 200 ميجاوات، وقدرة الفئة F تتراوح بين 200 إلى 300 ميجاوات، وقدرة الفئة H تتجاوز 300 ميجاوات.

1.1 الحالة الراهنة للتوربينات الغازية الثقيلة المحلية

في الخمسينيات، كانت الصين بحاجة إلى تقديم توربينات الغاز الثقيلة من الشركات الأجنبية [جنرال إلكتريك (GE)، سيمنز الألمانية (Siemens)، ميتسوبيشي هيفي إنداستريز اليابانية (MHI)]، ثم تصميمها وتطويرها وإنتاجها بشكل مستقل. في هذه المرحلة، تم تطوير تقنية التوربينات الغازية الثقيلة في بلادنا بسرعة. في الثمانينيات، حدثت مشكلة حادة لنقص النفط والغاز في الصين، مما أدى إلى دخول تطوير تقنية التوربينات الغازية الثقيلة في حالة ركود. حتى عام 2002، ومع نقل الغاز من الغرب إلى الشرق وتطوير واستخدام الغاز الطبيعي في بلادنا، تم حل مشكلة النفط والغاز، وأخيرًا بدأت التوربينات الغازية الثقيلة في بلادنا جولة جديدة من التطوير [8]. حاليًا، يعتمد تصنيع التوربينات الغازية الثقيلة في الصين بشكل أساسي على شركات مثل شنغهاي إلكتريك، دونغفانغ إلكتريك، وهاربين إلكتريك وغيرها.

في عام 2012، ضمن مشاريع "863" الكبرى في مجال الطاقة، نجحت شركة شنيانغ ليينغ والجامعات الكبرى في الصين في إجراء اختبار التشغيل لمدة 72 ساعة للغازية الثقيلة R0110 التي طورتها الشركة بنجاح، مما يشير إلى إنتاج أول غازية ثقيلة ذات حقوق ملكية فكرية مستقلة بنجاح، وتحمل الحمل الأساسي بقدرة 114.5 ميجاوات، وكفاءة حرارية تبلغ 36٪. ومنذ ذلك الحين، أصبحت الصين الدولة الخامسة في العالم التي تمتلك قدرة البحث والتطوير المستقلة للغازيات الثقيلة. في عام 2014، اشترت شركة شنغهاي إليكتريك حصة في أنزالدو الإيطالية، كاسرة الاحتكار الأجنبي لصناعة الغازيات، مما جعل الصين تبدأ في تحقيق التوطين للغازيات الثقيلة من فئة E/F. في عام 2019، وبقيادة شركة تشينا ري-كومبينستيون، نجحت تقنية مشتركة بين عدة مؤسسات في تصنيع الشفرة المتحركة الأولى، الشفرة الساكنة الأولى ومكونات غرفة الاحتراق للغازية الثقيلة من فئة F بقدرة 300 ميجاوات، مما يشير إلى أن الصين أصبحت قادرة على تصنيع المكونات الحرارية للغازيات الثقيلة بشكل أولي؛ وفي نفس العام، نجحت شنغهاي إليكتريك وأنزالدو في تطوير الغازية الثقيلة من فئة H GT36، لتصبح أول غازية ثقيلة من فئة H يتم تطويرها في بلادنا. في عام 2020، ضمن مشروع "973"، أكملت الغازية الثقيلة من فئة F بقدرة 50 ميجاوات (وتُسمى G50) التي تم تطويرها بشكل مستقل بواسطة شركة دونغفانغ الكهربائية وجامعة شيان جياوتو الاختبار العملي الكامل بنجاح [9]، مما يشير إلى أن الصين أصبحت قادرة على تطوير الغازيات الثقيلة من فئة F بشكل مستقل. في يونيو 2022، وبعد النجاح الأولي لاختبار الشفرة التوربينية لشركة جيانغسو يونغهان، تم تطوير توربين غازي ثقيل بقدرة 300 ميجاوات، مما يشير إلى المزيد من النجاح في تطوير الغازية الثقيلة بقدرة 300 ميجاوات في الصين. ومع ذلك، وعلى الرغم من تحسن مستوى تقنية الغازيات الثقيلة في الصين بسرعة، لا تزال الغازيات من فئة E/F تُستخدم بشكل أساسي في سوق الغازيات المحلية. من بينها، الكفاءة الدورية الواحدة لأحدث الغازيات الثقيلة في السوق المحلية تتراوح بين 42٪ إلى 44٪، بينما الكفاءة الدورية المركبة تتراوح بين 62٪ إلى 64٪ [10].

1.2 الوضع الراهن للتوربينات الغازية الثقيلة في الخارج

على الرغم من التطور السريع لعلم التكنولوجيا والاقتصاد العالمي في السنوات الأخيرة، فقد تحسن المستوى التقني للتوربينات الغازية الثقيلة تدريجياً، ولكن جزءاً كبيراً من سوق التوربينات الغازية الثقيلة في العالم لا يزال مقسماً بين شركة GE الأمريكية، وشركة MHI اليابانية، وشركة Alstom الفرنسية، وشركة Siemens الألمانية. مع تطور التكنولوجيا الصناعية، أصبحت تقنية التوربينات الغازية الثقيلة أكثر نضجاً، وتحولت نقطة التركيز في البحث والتطوير تدريجياً من مجال التوربينات الغازية الجوية إلى مجال التوربينات الغازية الثقيلة، وقد تم تطوير توربينات غازية من فئات E، F، G، H، J.

في الوقت الحاضر، في سوق التوربينات الغازية الثقيلة، تتمتع العديد من منتجات ميتسوبيشي اليابانية بشعبية كبيرة بين العامة. ومن بينها، يُعرف التوربين الغازي من نوع JAC الذي تنتجه شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة بأنه أكثر التوربينات الغازية كفاءة في العالم، حيث يمكن أن تصل كفاءة توليد الكهرباء باستخدام الدورة المركبة إلى 64٪ أو أعلى. التوربين الغازي M701J هو الأكثر كفاءة حرارية في العالم لتوليد الطاقة، حيث قدرته في الدورة البسيطة تبلغ 470 ميجاوات وقوته في الدورة المركبة تصل إلى 680 ميجاوات. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال التوربين الغازي M501J يحقق كفاءة حرارية بنسبة 55٪ حتى عند تشغيله بحالة الحمل 50٪، مما يجعل أدائه ممتازًا جدًا.

التوربين الغازي الثقيل SGT5-9 000HL فئة 50 هيرتز الذي تم تطويره وإنتاجه بواسطة سيمنز في ألمانيا هو أكثر التوربينات الغازية الثقيلة قوة في العالم، حيث يمتلك أعلى إنتاج كهربائي لوحدة واحدة. يمكن لهذا التوربين الغازي الثقيل إنتاج ما يصل إلى 840 ميغاواط من الكهرباء في وضع الدورة المركبة، وتحقيق كفاءة دورة مركبة تصل إلى 63%، ولكنه ليس أكثر التوربينات الغازية كفاءة في الدورة المركبة.

في أكتوبر 2019، أطلقت شركة جي إي التوربين الغازي الصناعي 7HA.03، والذي يمتلك قدرة إخراج طاقة دورة مركبة قصوى أقل قليلاً من توربين سيمينز SGT5-9000HL الصناعي، حيث يصل إلى 821 ميجاوات، لكن كفاءة الدورة المركبة القصوى له تُقدَّر بنسبة تصل إلى 63.9%. في عام 2022، تم تشغيل توربين 7HA.03 تجارياً للمرة الأولى، مع كفاءة توليد طاقة دورة مركبة تتجاوز 64% وسرعة نمو الحمل تصل إلى 75 ميجاوات/دقيقة. يمكن لتوربين 7HA.03 تقليل الانبعاثات بنسبة 70%. لخفض انبعاثات الكربون الناتجة عن توليد الطاقة باستخدام الغاز بشكل أكبر، يدعم توربين جي إي 7HA.03 حاليًا احتراق 50% هيدروجين حجمياً ويحقق إخراجاً صافياً قدره 430 ميجاوات في دورة واحدة. يمكن لمصنع طاقة يعمل بتوربين غازي صناعي 7HA.03 "واحد-سحبي" توفير توليد طاقة يصل إلى 640 ميجاوات، بينما يمكن لمصنع طاقة يعمل بتوربين غازي صناعي 7HA.03 "ثنائي-سحبي" توفير توليد طاقة يصل إلى 1,282 ميجاوات.

اليوم، درجة حرارة المدخل لأنبوب الغاز الأكثر تطورًا في العالم تصل إلى 1600 درجة °م [11]. بعض المتخصصين توقعوا أن درجة حرارة المدخل القصوى لأنابيب الغاز في المستقبل يمكن أن تصل إلى 1700 ℃ ، وكفاءة الدورة الواحدة والدورة المركبة يمكن أن تصل إلى 44% ~ 45% و 65% على التوالي [10].

بالمجملة، وعلى الرغم من التقدم الكبير الذي أحرزته تقنية التوربينات الغازية الثقيلة في الصين مقارنة بالماضي، لا يزال هناك فجوة كبيرة في مستوى التكنولوجيا التصنيعية والصيانة مقارنة بالدول المتقدمة، كما هو موضح في الجدول 1. وبسبب ذلك، يجب على الشركات المصنعة والمُبحِثين المحليين أولاً أن يكون لديهم فهم واضح لحالة تطور التوربينات الغازية الثقيلة في الصين، وتحسين أهمية البحث والتطوير في مجال التوربينات الغازية الثقيلة، وفي الوقت نفسه مع دعم السياسات الوطنية، الاستمرار في زيادة الاستثمار المالي في دراسة تقنية التوربينات الغازية الثقيلة، والتركيز على استغلال مزايا جميع الأطراف لتطوير التوربينات الغازية الثقيلة بشكل شامل. حاولوا تقليص الفجوة بين مستوى تقنية التوربينات الغازية الثقيلة في بلادنا وتلك الموجودة في الدول المتقدمة الأخرى. لذلك، لا يزال لدى التكنولوجيا الخاصة بالتوربينات الغازية الثقيلة في الصين مجال كبير للتطور، وستتجه مسارات تطورها المستقبلية بشكل أساسي نحو هذه الجوانب الأربعة، وهي: المعايير العالية، الأداء العالي، انبعاثات أقل وتقليل التلوث، والتوسع الكبيرة [12].