Forskningsfremskridt og udviklingsretning for tunge gas turbine og deres varmeskyttebelægninger (1)

Inden for tung industri er den mere almindelige varme-kraft konverterings type kraftproduktionsanlæg - tung gaskurve, på grund af dens lille fodaftryk, kort cyklus, høj effektivitet, mindre forurening og andre karakteristika, blevet vidt udbredt i nettoppelsningsgenerering, energiudvinding og -overførsel, havgenerering, avancerede skibsmotorer, luft- og rumfart samt andre områder, og kalder sig "den industrielle perle". På en vis måde er det samlede udviklingsniveau af det nationale produktionssystem tæt forbundet med forskning- og udviklingsniveauet af tunge gaskurver.

I 1939 producerede det schweiziske BBC-firma verdens første tung gas turbine til strømningsproduktion, hvilket begyndte den hurtige udvikling af tunge gas turbines worldwide. I de senere år har efterspørgslen efter energibesparelser og miljøbeskyttelse vokset, og ydelsesanmodninger for tunge gas turbines er også blevet forbedret i retning af høj effektivitet og lave emissioner [1]. Der er to hovedfaktorer, der påvirker effektiviteten af gas turbines: én er turbinindgangstemperatur, og den anden er kompressorforholdstal. Af disse er det mere kritiske spørgsmål hvordan turbinindgangstemperaturen kan øges [2]. Derfor forbedrer turbinebladene, som kernekomponenterne i gas turbines, turbinindgangstemperaturen hovedsagelig på tre punkter, nemlig højtemperaturmetalmaterialer, avanceret køle teknologi og varmebarrierbeklædnings teknologi.

I de seneste år er der blevet kraftigt udviklet superlegeringsblad direktionelt krystalkrystall / enkeltkrystal formeringsteknologi, varmebarrierelægeteknologi og gasfilm kølingsteknologi [3]. Et stort antal studier har vist, at ved hjælp af den designede kølevne kan overfladetemperaturen på de højtemperaturkomponenter (turbinblader, forbrændingskammer mm.) reduceres med omkring 500 ° C, men det er stadig ikke nok til at opfylde kravene. Dog, for at fortsætte med at forbedre kølevaerketeknologien, er de kølestrukturer, som forskerne har designet og fremstillet, ikke kun meget komplekse, men også vanskelige at behandle. Desuden har mange superlegemer, der bruges til fremstilling af tung gas turbineblad, nået deres grænsetemperaturer, mens keramiske matrixkompositmaterialer med bedre varmebestand endnu ikke er modne til anvendelse [4]. I modsætning hertil har termisk barriereoverflade teknologi en lavere omkostning og fremragende varmeisolering. Studier har vist, at den termiske barriereoverflade på 100 ~ 500 μ m aflejres på turbinebladets overflade ved hjælp af termisk sprøjte teknologi, hvilket kan undgå direkte kontakt mellem højtemperaturgas og turbinebladet i den tunge gas turbine, og reducere overfladetemperaturen med omkring 100 ~ 300 ℃ , så den tunge gas turbine kan sættes i drift sikkert [5-6].

Derfor, ved at tage Various faktorer i betragtning, er den eneste mulige og effektive metode til at opnå høj effektivitet, lav udledning og lang levetid for tunge gas-turbiner termisk barrierebehandlingsteknologi. Denne teknologi bruges vidt om i de varme komponenter af gas-turbiner og flymotorer. For eksempel sprøjtes en termisk barrierebehandling på overfladen af en turbineblad for at adskille det fra højtemperatur-gas for at reducere bladets overfladetemperatur, forlænge bladets service liv, og give det mulighed for at arbejde på en højere temperatur, hvilket forbedrer gas-turbines effektivitet. Siden udviklingen i slutningen af 1940'erne og begyndelsen af 1950'erne har termisk barrierebehandling vakt stor opmærksomhed og blevet kraftigt fremmet og udviklet af mange forskningsinstitutioner og beklædning producenter over hele verden, og efterspørgslen efter termisk barrierebehandlingsteknologi i moderne industrien bliver mere og mere presserende. Derfor har studiet af termisk barrierebehandling for gas-turbiner stor praktisk og strategisk betydning.

I de seneste år er det mest brugte overfladebeklædning til tunge gas turbine stadig zirkonia stabiliseret med ytterium (6-8YSZ) med en massefraktion på 6 wt.% ~ 8 wt.%, men YSZ-beklædning er ikke kun følsom for fasetransformation og sintering, men også for saltkorrosion ved temperature over 1 200 ℃ . Dvs., CMAS-korrosion (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 og andre silikatstoffer) og termisk korrosion. For at få beklædningen til at fungere ved temperature over 1 200 ℃ I lang tid har forskere gjort mange forsøg, herunder at finde og udvikle nye varmebarrieredybninger, forbedre fremgangsmåden for varmebarrieredybninger og regulere coatingsstrukturen. Derfor, på baggrund af en drøftelse af status quo for store gasturbiner og systemets struktur, materialer og fremgangsmåde for varmebarrieredybninger, summerer denne artikel forskningsstatus for gasturbinevarmebarrieredybninger mod CMAS-korrosion og andre nøgleegenskaber, hvilket giver en reference for forskning inden for varmebarrieredybninger mod CMAS-korrosion.

1 Status og udviklingsretninger for store gasturbiner

Siden verden havde den første gas turbine i 1920, har gas turbiner begyndt at udvikle sig hurtigt inden for industrien. I de senere år vokser omfanget af den globale marked for tunge gasturbiner fortsat, lande lægger mere vægt på forskning og udvikling af tunge gasturbiner og øger konstant kapital- og arbejdskraftinvesteringer, og teknologien for tunge gasturbiner forbedres løbende. Teknologiniveauet for tunge gasturbiner bestemmes af turbinindgangstemperatureniveauet, som kan opdeles i E, F og H-klasser efter temperaturintervallet [7]. Heriblandt er klassens E effekt 100 ~ 200 MW, klassens F effekt 200 ~ 300 MW, og klassens H effekt er over 300 MW.

1.1 Nuværende situation for domesticerede tunge gasturbiner

I 1950'erne var Kinas tunge gasstrålemaskiner nødt til at blive indført af fremmede virksomheder [General Electric (GE), Tysklands Siemens (Siemens), Japans Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], og derefter uafhængigt designet, udviklet og fremstillet. I denne fase har vores lands teknologi for tunge gasstrålemaskiner udviklet sig hurtigt. I 1980'erne opstod der alvorlige problemer med olie- og gasmangel i Kina, og udviklingen af teknologien for tunge gasstrålemaskiner blev tvunget ind i en nedgangsperiode. Indtil 2002, hvor vest-øst-gasoverførslen og udviklingen og indførelsen af naturgas i vores land fik løst problemet med olie og gas, og de tunge gasstrålemaskiner i vores land har endelig startet en ny runde af udvikling [8]. I øjeblikket hænger Kinas fremstilling af tunge gasstrålemaskiner hovedsageligt af Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric og andre virksomheder.

I 2012, i de "863" store projekter inden for energisektoren, fuldførte Shenyang Leing Company sammen med vigtige universiteter i Kina en 72-timers belastningstest af den tunge gas turbine R0110, som blev udviklet af dem. Dette markerer den succesfulde produktion af den første tunge gas turbine med uafhængig intellektuel ejendomsret i Kina, og dens grundbelastning er 114,5 MW. Termisk effektivitet er 36%. Siden da er Kina blevet det femte land i verden med evne til selvstændig udvikling af tunge gas turbiner. I 2014 købte Shanghai Electric en andel i Ansaldo i Italien, hvilket brød fremmed monopol på gas turbineindustrien og gjorde Kina færdig til at lokalisere E/F-klasse tunge gas turbiner. I 2019 ledt af China Re-Combustion lykkedes det flere institutioner i partnerskab at fremstille den første fase af bevægelige blade, stående blade og forbreningskammeret til en F-klasse 300 MW gas turbine, hvilket markerer, at Kina nu kan fremstille de varme ende-komponenter til tunge gas turbiner; I samme år udviklede Shanghai Electric og Ansaldo en H-klasse tunge gas turbine GT36, der blev den første H-klasse tunge gas turbine udviklet i Kina. I 2020, i "973"-projektet, fuldførte China Dongfang Electric sammen med Xi'an Jiaotong University en vellykket fuldlast test af den første F-klasse 50 MW tunge gas turbine (kaldet G50), som blev udviklet uafhængigt af Kina, hvilket viser, at Kina nu kan udvikle F-klasse tunge gas turbiner uafhængigt. I juni 2022 havde Jiangsu Yonghan haft et førstevalget succesfuldt med udviklingen af turbineblade til en 300 MW tunge gas turbine, hvilket markerer yderligere fremskridt i Kinas forskning og udvikling af 300 MW tunge gas turbiner. Dog, selv om teknologien for tunge gas turbiner i Kina hurtigt forbedres, anvendes E/F-klasse gas turbiner stadig hovedsagelig på den hjemlige markeder. Den mest avancerede tunge gas turbine på den hjemlige markeds har en enskabel effektivitet på 42% til 44%, og en kombineret cykel effektivitet på 62% til 64% [10].

1.2 Status quo for store gaskraftværker udenlands

Trot på den hurtige udvikling inden for global videnskab, teknologi og økonomi i de senere år, har teknologien bag store gaskraftværker gradvist forbedret sig, men et stort parti af verdens marked for store gaskraftværker er stadig fordelt mellem USA's GE, Japan's MHI, Frankrigs Alstom og Tysklands Siemens. Med udviklingen af industrielt teknisk know-how har teknologien bag store gaskraftværker blevet mere moden, og forskning- og udviklingsfokus har langsomt forskydtes fra luftfartsgaskraftværker til store gaskraftværker, og E-, F-, G-, H- og J-klassiske gaskraftværker er blevet udviklet.

I øjeblikket er mange af Japans Mitsubishi-produkter populære på den tung gas turbine-marked. Specielt Mitsubishi Heavy Industries' JAC-type gasturbine er kendt som verdens mest effektive gasturbine, hvor den kan opnå en kombineret cyklus effektivitet på op til 64% eller højere. M701J-gasturbinen, som er verdens mest varmeffektive turbine for elektricitetsproduktion, har en simpel cyklus effekt på 470 MW og en kombineret cyklus effekt på 680 MW. Desuden har M501J-gasturbinen stadig en varmeeffektivitet på 55% under halve belastningsforholdene, hvilket viser fremragende ydeevne.

Den 50 HZ SGT5-9 000HL klasse tung gas turbine, som er udviklet og produceret af Siemens i Tyskland, er den mest magtfulde tunge gas turbine med højeste effektoutput fra en enkelt enhed i verden. Den tunge gas turbine kan producere op til 840 MW elektricitet i kombineret cyklus tilstand, og dens effektivitet i kombineret cyklus er også op til 63%, men det er ikke den mest effektive gas turbine i kombineret cyklus.

I oktober 2019 lancerede GE den 7HA.03 heavy-duty gas turbine, som har en maksimal kombineret cyklus udgangseffekt, der er lidt lavere end Siemens' SGT5-9000HL-klasse heavy-duty gas turbine, og når 821 MW, men dens maksimale kombinerede cyklus effektivitet vurderes til at være så høj som 63,9%. I 2022 blev den 7HA.03 gas turbine sat i drift for første gang med en kombineret cyklus effektivitet over 64% og en belastningsvækst på op til 75 MW/min. Den 7HA.03 gas turbine kan reducere emissioner med 70%. For at yderligere reducere kulstofemissioner fra gasdrivne kraftværker understøtter GEs 7HA.03 gas turbine forbrænding af op til 50% hydrogen i volumen og har en nettoeffekt på 430 MW i en enkelt cyklus. Et "one-tow" 7HA.03 heavy-duty gas turbine kraftværk kan levere op til 640 MW strøm, mens et "two-tow" 7HA.03 heavy-duty gas turbine kraftværk kan levere op til 1 282 MW strøm.

I dag er indløbstemperaturen for verdens mest avancerede tunge gas turbine op til 1.600 ° C [11]. Nogle fagfolk har forudagt, at den maksimale indløbstemperatur for gas turbiner i fremtiden kan nå 1.700 ℃ , og at effektiviteten af enkeltcylce og kombineret cykel kan nå 44% ~ 45% og 65% henholdsvis [10].

I samlet opsummering har den tekniske udvikling inden for tung gaskurbine i Kina gjort store fremskridt i forhold til fortiden, men der er stadig en stor afstand mellem niveauet på fabrikations- og vedligeholdelsesområdet i forhold til industrialiserede lande, som vist i tabel 1. På grund heraf bør de nationale producenter og forskere først og fremmest have en klar forståelse for udviklingsstatusen af Kinas tunge gaskurbiner, forbedre betydningen af forskning og udvikling inden for tunge gaskurbiner, samtidig med støtte fra nationale politikker, fortsætte med at øge kapitalinvesteringerne i teknologiforskning inden for tunge gaskurbiner, fokusere på fordelerne for alle parter for fuld udvikling af tunge gaskurbiner. Prøv at formindske afstanden mellem Kinas teknologiniveau inden for tunge gaskurbiner og det af andre industrialiserede lande. Derfor har den tekniske udvikling inden for tunge gaskurbiner i Kina stadig et stort udviklingsrum, og dens fremtidige udviklingsretninger går hovedsagelig mod disse fire aspekter, nemlig højparametre, høj ydelse, lav forurening og stor skala [12].