Прогрес в изследването и развитието на тенденции при тежките газови турбини и техните термични барьерни покрития (1)

В областта на тежката промишленост по-често срещаните конверзионни типове енергийни уреди за преобразуване на топлина в електричество – тежки газови турбини, поради техните малък земен занимаем площ, кратък цикъл, висока ефективност, по-малко замърсяване и други характеристики, са широко използвани в електроразпределителните мрежи за пикови натоварвания, добив и предаване на енергия, морска електрогенерация, авангардна корабна енергия, аерокосмическа индустрия и други области, наречени „индустриална жемчужина“. В определен смисъл общото ниво на развитие на националната производствена индустрия е тясно свързано с нивото на разработка на тежките газови турбини.

В 1939 г. швейцарската компания BBC произвежда първата тежка газова турбина за производство на електричество в света, което започва бързото развитие на тежките газови турбини по цял свят. През последните години искането за енергоспестяване и защита на околната среда се увеличава, и изискванията към производителността на тежките газови турбини също се подобряват, насочвайки се към целта висока ефективност и ниски емисии [1]. Има два основни фактора, които влияят върху ефективността на газовите турбини: единият е температурата на входа на турбината, а другият е степента на компресия на компресора. Сред тях по-критичното нещо е как да повишате температурата на входа на турбината [2]. Следователно, турбинните лопasti, като ядрените компоненти на газовите турбини, главно се опират на три точки за подобряване на температурата на входа на турбината, а именно: метални материали, устойчиви на високи температури, modenо охлаждаща технология и технология за термична бариерна покритие.

В последните години интензивно се развиват технологиите за формиране на насочени кристали/еднина кристал от супeralloys, технологията на термичен барьерен покрив и технологията на газова филмова хладене [3]. Голямо число проучвания установиха, че използването на проектираната хладна структура може да намали повърхностната температура на горещите компоненти (турбинни лопатки, камери за горене и др.) с около 500 ° C, но все още не е достатъчно, за да се изпълнят изискванията. Всъщност, за да продължи да се подобрява технологията за охлаждане на турбините, охлаждащите конструкции, проектирани и произведени от научниците, не само са много сложни, но също така са трудни за обработка. Освен това, много свръхалойни, използвани за производство на лопатките на газовата турбина с висока носимост, са достигнали своите гранични температури, докато керамичните матрични композити с по-добро топлостойки свойства все още не са напълно приложими [4]. В сравнение, технологията на термичен барьерен покритък има по-нисък разход и отлична термична изолация. Изследвания показват, че термичния барьерен покритък от 100 ~ 500 μ м се депонира на повърхността на турбинната лопатка чрез термично спрейване, което може да избягне директния контакт между високотемпературните газове и лопатката на газовата турбина с висока носимост, като намалява повърхностната температура с около 100 ~ 300 ℃ , така че газовата турбина с висока носимост може да бъде безопасно включена в употреба [5-6].

Следователно, като се има предвид различни фактори, единственият възможен и ефективен метод за постигане на висока ефективност, ниски емисии и продължителен ресурс на тежките газови турбини е технологията на термична бариерна покривка. Тази технология се използва широко в горещите компоненти на газовите турбини и авиационните двигатели. Например, термична бариерна покривка се спрейва на повърхността на турбинния лопаст, за да я отдели от високотемпературния газ, да намали температурата на повърхността на лопастта, да удължи нейния ресурс и да позволи на нея да работи при по-висока температура, което подобрява ефективността на газовата турбина. От разработването ѝ през края на 40-те и началото на 50-те години на миналия век, термичната бариерна покривка привлича голямо внимание и е интензивно насърчавана и развивана от много научноизследователски институции и производители на покривки по цял свят, а заявк

През последните години най-широко използваното покритие за тежки газови турбини остава все още циркония, стабилизирана с итрий (6-8YSZ) с масова фракция от 6 wt.% ~ 8 wt.%, но покритието YSZ не само че е склонно към фазова трансформация и спечване, но също така е склонно към молен солен корозии при температури над 1 200 ℃ . Това е, CMAS корозия (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 и други силикатни вещества) и термична корозия. За да направим покритието да работи при температури над 1 200 ℃ отдавна време учениците са правили много усилия, включително намирането и разработването на нови термични бариерни покрития, подобряване на процеса по приготвяне на термични бариерни покрития и регулиране на структурата на покритието. Следователно, като се основава на обсъждането на състоянието на тежките газови турбини и системната им структура, материалите и методите за приготвяне на термични бариерни покрития, тази статия обобщава състоянието на изследванията относно термичните бариерни покрития за газови турбини срещу корозията CMAS и другите ключови свойства, предоставяйки референтен материал за изследването на термични бариерни покрития срещу корозията CMAS.

1 Състояние и развитие на тежките газови турбини

Откакто първата в света газова турбина се появява през 1920 г., газовите турбини започват да се развиват бързо в промишлената сфера. През последните години размерите на глобалния пазар за тежки газови турбини продължават да растат, държавите повече се занимават с разработването на тежки газови турбини и продължават да увеличават капиталовите и човешки ресурси, вложени в тях, а техният ниво се подобрява постоянно. Техническият ниво на тежките газови турбини е определен от температурния ниво на входа на турбината, който може да се класифицира като E, F и H класове според температурния диапазон [7]. Сред тях мощността на клас E е 100 ~ 200 МВт, мощността на клас F е 200 ~ 300 МВт, а мощността на клас H е над 300 МВт.

1.1 Състояние на тежките газови турбини в страната

В 1950-те години тежките газови турбини в Китай трябваше да бъдат въведени от чуждестранни компании [General Electric (GE), Siemens (Сименс) от Германия, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) от Япония], след което да бъдат независимо проектирана, разработена и произведена. В този етап тежката технология на газовите турбини в нашата страна се развива бързо. В 1980-те години в Китай се появява сериозна проблема с липса на нефть и газ, и развитието на технологията за тежки газови турбини е принудително сложено в спадна фаза. До 2002 г., с прехвърлянето на газа от запад в изток и разработването и въвеждането на природен газ в нашата страна, проблемът с нефть и газ е решен, и тежките газови турбини в нашата страна най-накрая стартират нов цикъл на развитие [8]. В момента производството на тежки газови турбини в Китай главно зависи от компании като Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric и други.

В 2012 г., в рамките на "863" мажорни проекти в областта на енергетиката, тежкият газов турбинен агрегат R0110, разработен от компанията Shenyang Leing и големи университети в Китай, успешно завърши 72-часовото тестово функциониране под номинална зареда, което маркира успешното производство на първия тежки газов турбинен агрегат с самостоятелно интелектуално собственост, с номинална мощност 114,5 МВт. Термичната ефективност е 36%. Оттогава Китай става петата страна в света, която има способност за самостоятелна разработка на тежки газови турбини. В 2014 г. Shanghai Electric придобива дял в Ansaldo, Италия, разбивайки чужденската монополия в газовото турбинно производство, което прави Китай да започне локализацията на E/F клас тежки газови турбини. В 2019 г., водени от China Re-Combustion, няколко институции успешно произведоха първия движещ лопаст, първия статичен лопаст и горенията камера на F клас 300 МВт газова турбина, което маркира началото на производството на горещите компоненти на тежките газови турбини в Китай; В същата година Shanghai Electric и Ansaldo успешно разработиха H клас тежка газова турбина GT36, ставаща първата H клас тежка газова турбина, разработена в нашата страна. В 2020 г., в проекта "973", първата F клас 50 МВт тежка газова турбина (наричана G50), самостоятелно разработена от China Dongfang Electric и Xi'an Jiaotong University, успешно завърши пълен тест на номинална зареда [9], което показва, че Китай вече може да разработва самостоятелно F клас тежки газови турбини. В юни 2022 г., Jiangsu Yonghan участва в разработването на лопастите на турбината на 300 МВт тежка газова турбина след първоначалния успех на тестовете, което маркира по-нататъшния успех в разработването на 300 МВт тежки газови турбини в Китай. Всъщност, макар нивото на технологията за тежки газови турбини в Китай бързо да се подобрява, E/F клас турбините все още са основните в домашния пазар на газовите турбини. Сред тях, най-новите тежки газови турбини в домашния пазар имат ефективност на единичния цикъл между 42% и 44%, а комбинираната циклична ефективност е между 62% и 64%[10].

1.2 Състояние на високотонните газови турбини чуждестранно

Въпреки бързото развитие на световната наука, технология и икономика през последните години, техническият ниво на високотонните газови турбини се е подобрил постепенно, но голяма част от пазара на високотонните газови турбини по целия свят все още е разделена между американската GE, японската MHI, френската Alstom и германска Siemens. С развитието на промишлената технология, технологията на високотонните газови турбини е станала по-зрела, а фокусът на разработката постепенно се е сместил от областта на авиационните газови турбини към областта на високотонните газови турбини, като са разработени газови турбини от клас E, F, G, H, J.

В момента, на пазара за тежки газови турбини, продуктите на японската Mitsubishi са много популярни сред обществеността. Сред тях, газовата турбина от типа JAC, произведена от Mitsubishi Heavy Industries, е известна като най-ефективната в света газова турбина, чиято ефективност при комбиниран цикъл може да достигне 64% или дори повече. Газовата турбина M701J, с най-висока термична ефективност за производство на електричество в света, има мощност от 470 МВ при прост цикъл и 680 МВ при комбиниран цикъл. Освен това, газовата турбина M501J все още поддържа термична ефективност от 55% при натоварване на 50%, а нейните характеристики са изключително добри.

Тежкият газов турбинен клас SGT5-9000HL с частота 50 HZ, разработен и произведени от Siemens в Германия, е най-мощният тежък газов турбинен двигател с най-голямата изходна мощност на единична установка в света. Тежкият газов турбинен двигун може да производи до 840 МВ електричество в комбиниран режим, а неговата ефективност в комбиниран цикъл достига също до 63%, но той не е най-ефективният газов турбинен двигател в комбиниран цикъл.

В октомври 2019 г., GE стартира тежката газова турбина модел 7HA.03, която има максимална комбинирана циклова изходна мощност, малко по-ниска от тежката газова турбина на Siemens SGT5-9000HL клас, достигаща 821 МВт, но нейната максимална комбинирана циклова ефективност се оценява да е до 63,9%. През 2022 г., газовата турбина 7HA.03 беше пусната в комерсиална експлоатация за първи път, с комбинирана циклова ефективност за производство на електроенергия над 64% и растеж на натоварването до 75 МВт/мин. Газовата турбина 7HA.03 може да намали емисиите с 70%. За да се намалят още повече въглеродните емисии при газово енергийно производство, газовата турбина 7HA.03 на GE в момента поддържа горене на 50% водород по обем и има нето изходна мощност от 430 МВт в единичен цикъл. „Единична“ електроцентрала с тежка газова турбина 7HA.03 може да произведе до 640 МВт електроенергия, докато „двойна“ електроцентрала с тежка газова турбина 7HA.03 може да произведе до 1 282 МВт.

Днес температурата на входа на най-продвинатите тежки газови турбини в света е толкова висока, колкото 1 600 ° °C [11]. Някои професионалисти са предваждали, че максималната температура на входа на газовите турбини в бъдеще може да достигне 1 700 ℃ , а ефективността на единичния цикъл и комбинирания цикъл може да достигне съответно 44% ~ 45% и 65% [10].

Подводейки, макар и че техният ниво на тежките газови турбини в Китай е направил голям напредък в сравнение с миналото, все още има голяма разлика в производствената технология и поддържането спрямо развитите страни, както е показано в Таблица 1. Поради това, домашните производители и изследователи трябва преди всичко ясно да разберат състоянието на развитието на тежките газови турбини в Китай, да повишат важността на изследването и разработването на тежки газови турбини, при едновременно подкрепа от държавните политики, да продължат да увеличават капиталните инвестиции в изследването на технологиите за тежки газови турбини, да се фокусират на превода на всички страни за пълен разцвет на тежките газови турбини. Да се опитат да намалат разликата между технологичния ниво на тежките газови турбини в нашата страна и този на другите развити страни. Следователно, техническият ниво на тежките газови турбини в Китай все още има огромен потенциал за развитие, а неговото бъдещо развитие ще бъде главно насочено към тези четири аспекти, а именно: високи параметри, висока производителност, ниска замърсяваност и големи размери [12].