Πρόοδος της έρευνας και τάση ανάπτυξης βαριών αεριού πυρηνικών κινητήρων και των θερμικών φραγμών τους (1)

Στον τομέα της βαριάς βιομηχανίας, η πιο κοινή μορφή γεννήτριας ενέργειας μετατροπής θερμοδύναμης ενέργειας σε ηλεκτρική - η βαριά αεριώδης τουρβίνα, λόγω του μικρού χώρου που απαιτείται, του μικρού κύκλου, της υψηλής απόδοσης, της μικρής ρύπανσης και άλλων χαρακτηριστικών, χρησιμοποιείται ευρέως στην κορυφαία φόρτιση του δικτύου, την εξόρυξη και μεταφορά ενέργειας, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη θάλασσα, την προοδευτική δύναμη πλοίων, την αεροδιαστημική και άλλους τομείς, και ονομάζεται "βιομηχανική μπερλίνα". Σε κάποιο βαθμό, το σύνολο του επιπέδου ανάπτυξης της εθνικής βιομηχανίας είναι στενά συνδεδεμένο με το επίπεδο έρευνας και ανάπτυξης των βαριών αεριώδων τουρβινών.

Το 1939, η εταιρεία BBC της Ελβετίας παρήγαγε την πρώτη στροβίλια αέρα βαριάς κατασκευής για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο, μια επίδοση που ξεκίνησε την γρήγορη ανάπτυξη των στροβίλων αέρα βαριάς κατασκευής σε όλο τον κόσμο. Στα τελευταία χρόνια, οι απαιτήσεις για την αποτελεσματικότητα και την περιβαλλοντική προστασία έχουν αυξηθεί, και οι απαιτήσεις επιδόσεων για τις στροβίλες αέρα βαριάς κατασκευής έχουν επίσης βελτιωθεί, με στόχο την υψηλή αποτελεσματικότητα και τις χαμηλές εκπομπές [1]. Υπάρχουν δύο κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα των στροβίλων αέρα: ο ένας είναι η θερμοκρασία εισόδου στον τουρμίνη, και ο άλλος είναι ο συμπιέστης παραγωγής πίεσης. Μεταξύ αυτών, το πιο κρίσιμο είναι πώς να αυξηθεί η θερμοκρασία εισόδου στον τουρμίνη [2]. Έτσι, τα φύλλα τουρμίνης, ως κεντρικά συστατικά των στροβίλων αέρα, βελτιώνουν κυρίως την θερμοκρασία εισόδου του τουρμίνη με τρεις σημεία, δηλαδή, υλικά μετάλλων ανοχής υψηλών θερμοκρασιών, προηγμένη τεχνολογία ψύξης και τεχνολογία θερμικής μπάριερ επικάλυψης.

Στα τελευταία χρόνια, έχει αναπτυχθεί μεγάλος βαθμός η τεχνολογία δημιουργίας κατευθυνόμενων κρυστάλλων/μονοκρυστάλλινων λεπτών από υπερσύνθετα, η τεχνολογία θερμοπροστατευτικής καταπύκνωσης και η τεχνολογία ψυρμού αερίου με φιλμ. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι η χρήση σχεδιασμένης δομής ψύξης μπορεί να μειώσει την επιφανειακή θερμοκρασία των καύστικων συστατικών (ροδακινών, καύσωνα κ.λπ.) κατά περίπου 500 ° C, αλλά δεν είναι ακόμη αρκετά για να καλύψει τις απαιτήσεις. Ωστόσο, προκειμένου να συνεχιστεί η βελτίωση της τεχνολογίας ψύξης τουρβινών, οι ψυκτικές δομές που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται από τους ερευνητές είναι μπορεί να είναι πολύ περίπλοκες, αλλά και δύσκολες να επεξεργασθούν. Επιπλέον, πολλά υπερσύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή άξονας φύλλων βαριών αεριού, έχουν φτάσει στα όρια των θερμοκρασιών τους, ενώ τα σύνθετα υλικά με βάση κεραμική με καλύτερη ανοχή στη θερμότητα δεν έχουν ακόμη φτάσει σε εφαρμοσμένη μελέτη [4]. Σε αντίθεση, η τεχνολογία θερμικών μπάριερ επικαλύψεων έχει χαμηλότερο κόστος και εξαιρετική θερμική απομόνωση. Μελέτες έχουν δείξει ότι η θερμική μπάριερ επικάλυψη 100 ~ 500 μ μ κατατίθεται στην επιφάνεια των φύλλων της τουρμπίνας με θερμική κατάχυση, με τον τρόπο αυτόν μπορεί να αποφεύγεται η άμεση επαφή μεταξύ των υψηλοθερμιάς αερίων και των φύλλων της βαριάς τουρμπίνας, μειώνοντας την επιφανειακή θερμοκρασία κατά περίπου 100 ~ 300 ℃ μονάδες, ώστε η βαριά τουρμπίνα να μπορεί να λειτουργεί ασφαλώς [5-6].

Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη διάφορους παράγοντες, η μοναδική αποτελεσματική και εφαρμόσιμη μέθοδος για να επιτευχθεί υψηλή αποδοτικότητα, χαμηλές εκπομπές και μεγάλη διάρκεια ζωής σε βαριά αεριώδη τουρμπίνες είναι η τεχνολογία καλύψεων θερμού φραγμού. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται ευρέως στα κινητήρια μέρη των αεριώδων τουρμπίνων και αεροσκαφών. Για παράδειγμα, μια κάλυψη θερμού φραγμού εξυφαίνεται στην επιφάνεια ενός κοντάριου τουρμπίνας για να το απομακρύνει από τα υψηλά θερμοκρασίες αέρα, να μειώσει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του κονταριού, να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής του και να το επιτρέψει να λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα να βελτιωθεί η αποδοτικότητα της αεριώδους τουρμπίνας. Από την ανάπτυξή της στα μέσα της δεκαετίας 1940 και 1950, η κάλυψη θερμού φραγμού έχει διακληθεί ιδιαίτερη προσοχή και έχει προωθηθεί και αναπτυχθεί εντατικά από πολλά ερευνητικά ινστιτούτα και παραγωγούς καλύψεων σε όλο τον κόσμο, ενώ η ζήτηση για τεχνολογία καλύψεων θερμού φραγμού στη σύγχρονη βιομηχανία γίνεται όλο και πιο επείγουσα. Επομένως, η μελέτη των καλύψεων θερμού φραγμού για αεριώδεις τουρμπίνες έχει μεγάλη πρακτική και στρατηγική σημασία.

Στα τελευταία χρόνια, η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη κάλυψη για βαριά αεριού φθινού είναι ακόμη ο ζιρκώνιος σταθεροποιημένος με ίττριο (6-8YSZ) με μαζική κατανομή 6 wt.% ~ 8 wt.%, αλλά η κάλυψη YSZ είναι όχι μόνο πρόθυμη να υποστεί μεταβολή φάσης και συμπυκνωμένη, αλλά και πρόθυμη να υποστεί διάβρωση από λιωμένα αλάτια σε θερμοκρασίες άνω των 1200 ℃ . Δηλαδή, διάβρωση CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 και άλλα σιλικάτα ουσίες) και θερμή διάβρωση. Για να κάνουμε την κάλυψη να λειτουργεί σε θερμοκρασίες άνω των 1200 ℃ Για πολύ καιρό, οι ερευνητές έχουν κάνει πολλές προσπάθειες, συμπεριλαμβανομένης της εύρεσης και ανάπτυξης νέων φθεριστικών καλύψεων, βελτίωσης της διαδικασίας παρασκευής των φθεριστικών καλύψεων και ρύθμισης της δομής της κάλυψης. Έτσι, στη βάση της συζήτησης για την κατάσταση των βαριών αεριού πυρηνικών κινητήρων και την συστημική δομή, τα υλικά και τις μεθόδους παρασκευής των φθεριστικών καλύψεων, αυτή η εργασία συνοψίζει την κατάσταση της έρευνας για τις φθεριστικές κάλυψεις των αεριού πυρηνικών κινητήρων κατά της διάφθορσης CMAS και άλλων κλειδιαίων ιδιοτήτων, παρέχοντας μια αναφορά για την έρευνα των φθεριστικών καλύψεων κατά της διάφθορσης CMAS.

1 Κατάσταση και τάση ανάπτυξης των βαριών αεριού πυρηνικών κινητήρων

Από τον κόσμο's πρώτο αεριούτουρβινα έφερε στο φως το 1920, αεριούτουρβινα έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται γρήγορα στο βιομηχανικό πεδίο. Στα τελευταία χρόνια, η κλίμακα της παγκόσμιας αγοράς βαριών αεριούτουρβινα συνεχίζει να μεγαλώνει, τα έθνη πληρώνουν περισσότερη προσοχή στην έρευνα και ανάπτυξη βαριών αεριούτουρβινα και συνεχίζουν να αυξάνουν τις επενδύσεις κεφαλαίου και δύναμης εργασίας, και ο τεχνικός επίπεδος των βαριών αεριούτουρβινα έχει βελτιωθεί συνεχώς. Το τεχνικό επίπεδο των βαριών αεριούτουρβινα καθορίζεται από το επίπεδο θερμοκρασίας εισόδου τουρβίνας, το οποίο μπορεί να διαιρεθεί σε κλάσεις E, F και H βάσει του εύρους θερμοκρασίας [7]. Μεταξύ αυτών, η δύναμη της κλάσης E είναι 100 ~ 200 MW, η δύναμη της κλάσης F είναι 200 ~ 300 MW, και η δύναμη της κλάσης H είναι πάνω από 300 MW.

1.1 Παρούσα κατάσταση των εθνικών βαριών αεριούτουρβινα

Στα χρόνια του '50, στην Κίνα οι βαρύες αεροστροβιλικές μηχανές που χρειάζονταν να εισαχθούν από ξένες εταιρείες [General Electric (GE), Siemens (Siemens) της Γερμανίας, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) της Ιαπωνίας], και μετά να σχεδιαστούν, αναπτυχθούν και να κατασκευαστούν ανεξάρτητα. Σε αυτή τη φάση, η τεχνολογία των βαρύων αεροστροβιλικών μηχανών της χώρας μας ανεπτύχθηκε γρήγορα. Στα '80, στην Κίνα εμφανίστηκε ένα σοβαρό πρόβλημα λιγοστίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, και η ανάπτυξη της τεχνολογίας των βαρύων αεροστροβιλικών μηχανών υποχώρησε σε κατάσταση κατάψυξης. Μέχρι το 2002, με τη μεταφορά αερίου από δυτικά σε ανατολικά και την ανάπτυξη και εισαγωγή φυσικού αερίου στη χώρα μας, το πρόβλημα του πετρελαίου και του αερίου επιλύθηκε, και οι βαρύες αεροστροβιλικές μηχανές στην χώρα μας άρχισαν τελικά μια νέα φάση ανάπτυξης [8]. Σήμερα, η κινεζική παραγωγή βαρών αεροστροβιλικών μηχανών βασίζεται κυρίως σε επιχειρήσεις όπως Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric και άλλες.

Το 2012, στα μεγάλα έργα "863" στον τομέα της ενέργειας, ο βαρύς αεριού πυρήνας R0110 που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Shenyang Leing και κύριες πανεπιστημιακές οργανώσεις της Κίνας επιτέλεσε με επιτυχία τη δοκιμή λειτουργίας φορτίου για 72 ώρες, το οποίο σηματοδοτεί την επιτυχή παραγωγή του πρώτου βαρέα αεριού πυρήνα με ανεξάρτητα πνευματικά δικαιώματα, με βασικό φορτίο 114,5MW. Η θερμική αποδοτικότητα είναι 36%. Από τότε, η Κίνα έχει γίνει η πέμπτη χώρα στον κόσμο που έχει ανεξάρτητη ικανότητα έρευνας και ανάπτυξης βαρέων αερίων πυρήνων. Το 2014, η Shanghai Electric αγόρασε μετοχές της Ansaldo στην Ιταλία, κάτι που άρχισε να καταργεί την ξένη μονοπωλία στον τομέα των αερίων πυρήνων, κάτι που έκανε την Κίνα να επιτύχει αρχικά την τοπικοποίηση των αερίων πυρήνων της κλάσης E/F. Το 2019, υπό την ηγεσία της China Re-Combustion, η κοινή τεχνολογία πολλών ιδρυμάτων κατάφερε να παράγει το πρώτο κινούμενο φύλλο, το πρώτο στατικό φύλλο και το καύσωμα του βαρέα αερίου πυρήνα της κλάσης F με δύναμη 300 MW, το οποίο σηματοδοτεί ότι η Κίνα έχει αρχίσει να παράγει τα ζεστά τμήματα των βαρέων αερίων πυρήνων. Το ίδιο έτος, η Shanghai Electric και η Ansaldo κατάφεραν να αναπτύξουν με επιτυχία τον βαρέα αερίου πυρήνα της κλάσης H GT36, για να γίνει ο πρώτος βαρέας αερίου πυρήνας της κλάσης H που αναπτύχθηκε στη χώρα μας. Το 2020, στο έργο "973", ο πρώτος βαρέας αερίου πυρήνας της κλάσης F με δύναμη 50 MW (ονομαζόμενος G50) που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από την China Dongfang Electric και το Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong, ολοκλήρωσε με επιτυχία τη δοκιμή λειτουργίας πλήρους φορτίου [9], το οποίο δείχνει ότι η Κίνα έχει αρχίσει να αναπτύσσει ανεξάρτητα βαρέους αερίου πυρήνας της κλάσης F. Στον Ιούνιο του 2022, η Jiangsu Yonghan συμμετείχε στην ανάπτυξη των φύλλων του βαρέα αερίου πυρήνα με δύναμη 300 MW μετά την αρχική επιτυχία των δοκιμών, σηματοδοτώντας μεγαλύτερη επιτυχία στην ανάπτυξη βαρέων αερίων πυρήνων με δύναμη 300 MW στην Κίνα. Ωστόσο, παρά τη γρήγορη βελτίωση του επιπέδου της τεχνολογίας βαρέων αερίων πυρήνων στην Κίνα, οι αερίοι πυρήνες της κλάσης E/F εξακολουθούν να είναι οι κυρίαρχοι στον εσωτερικό αγορά αερίων πυρήνων. Μεταξύ αυτών, η μονοκύκλικη αποδοτικότητα των πιο προηγμένων βαρέων αερίων πυρήνων στον εσωτερικό αγορά είναι 42% έως 44%, ενώ η συνδυασμένη κύκλος αποδοτικότητα είναι 62% έως 64% [10].

1.2 Κατάσταση των βαρύτερων αεριού πυρήνα στο εξωτερικό

Παρά την γρήγορη ανάπτυξη της παγκόσμιας επιστήμης και τεχνολογίας και της οικονομίας τα τελευταία χρόνια, ο τεχνικός επίπεδος των βαρέων αεριού πυρήνα έχει βελτιωθεί σταδιακά, αλλά μεγάλο μέρος της παγκόσμιας αγοράς βαρέων αεριού πυρήνα εξακολουθεί να διαιρείται από την GE των ΗΠΑ, την MHI της Ιαπωνίας, την Alstom της Γαλλίας και την Siemens της Γερμανίας. Με την ανάπτυξη της βιομηχανικής τεχνολογίας, η τεχνολογία των βαρέων αεριού πυρήνα έχει γίνει πιο ωριμή, και οι έρευνες και ανάπτυξη έχουν μετατραπεί σταδιακά από τον τομέα των αεριού πυρήνα της αεροναυτικής στον τομέα των βαρέων αεριού πυρήνα, αναπτύσσοντας τους αεριού πυρήνα των κλάσεων E, F, G, H, J.

Εις το παρόν, στην αγορά βαριών αεριού πυρηνικών κινητήρων, πολλά προϊόντα της Ιαπωνικής Mitsubishi είναι πιο δημοφιλή. Μεταξύ αυτών, ο αεριού πυρηνικός κινητήρας τύπου JAC που παράγεται από την Mitsubishi Heavy Industries είναι γνωστός ως ο πιο αποδοτικός αεριού πυρηνικός κινητήρας στον κόσμο, με συνδυασμένη κύκλος παραγωγής ηλεκτρισμού αποδοτικότητα που μπορεί να φθάσει το 64% ή ακόμη και υψηλότερο. Ο αεριού πυρηνικός κινητήρας M701J, ο πιο αποδοτικός σε θερμική απόδοση αεριού πυρηνικός κινητήρας για παραγωγή ηλεκτρισμού στον κόσμο, έχει δύναμη απλού κύκλου 470 MW και συνδυασμένης κύκλου δύναμη 680 MW. Επιπλέον, ο αεριού πυρηνικός κινητήρας M501J διατηρεί 55% θερμική απόδοση και υπό συνθήκες φορτίου 50%, και η απόδοσή του είναι πολύ εξαιρετική.

Η βαριά αεριού πυρηνική τουρβίνα κλάσης SGT5-9000HL, που αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε από τη Siemens της Γερμανίας, είναι η δυνατότερη βαριά αεριού πυρηνική τουρβίνα στον κόσμο, με τη μεγαλύτερη εξαρτημένη δύναμη μιας μονάδας. Η βαριά αεριού πυρηνική τουρβίνα μπορεί να παράγει έως και 840 MW ηλεκτρικής ενέργειας σε κύκλο συνδυασμένων κύκλων, ενώ η απόδοση της σε κύκλο συνδυασμένων κύκλων φθάνει επίσης στο 63%, αλλά δεν είναι η πιο αποδοτική αεριού πυρηνική τουρβίνα σε κύκλο συνδυασμένων κύκλων.

Τον Οκτώβριο του 2019, η GE κυκλοφόρησε τη βαρύα αέριος τουρμπίνα 7HA.03, η οποία έχει μέγιστη συνδυασμένη κύκλο εξαγωγή ρεύματος λιγότερο από αυτή της βαρύας αεριού τουρμπίνας SGT5-9000HL της Siemens, φθάνοντας στα 821 MW, αλλά η μέγιστη συνδυασμένη απόδοση της εκτιμάται ότι φτάνει το 63,9%. Το 2022, η αέριος τουρμπίνα 7HA.03 τέθηκε για πρώτη φορά σε εμπορική λειτουργία, με συνδυασμένη κύκλο παραγωγή ενέργειας πάνω από 64% και ρυθμό αύξησης φορτίου μέχρι και 75 MW/λεπτό. Η αέριος τουρμπίνα 7HA.03 μπορεί να μειώσει τις εκπομπές κατά 70%. Για να μειωθούν περαιτέρω οι εκπομπές άνθρακα από την παραγωγή ενέργειας με αέριο, η αέριος τουρμπίνα 7HA.03 της GE υποστηρίζει σήμερα την καύση του 50% υδρογόνου με βάρος και έχει δίκτυο εξαγωγής 430 MW σε μονοκύκλιο. Ένας «μονοτερματικός» σταθμός παραγωγής ενέργειας με βαρύα αέριος τουρμπίνα 7HA.03 μπορεί να παράγει μέχρι και 640 MW, ενώ ένας «διτερματικός» σταθμός παραγωγής ενέργειας με βαρύα αέριος τουρμπίνα 7HA.03 μπορεί να παράγει μέχρι και 1 282 MW.

Σήμερα, η εισαγωγική θερμοκρασία των πιο προηγμένων βαρυβάρων αεριούτροχων στον κόσμο είναι ως το 1.600 ° C [11]. Κάποιοι ειδικοί έχουν προβλέψει ότι η μέγιστη εισαγωγική θερμοκρασία των αεριούτροχων στο μέλλον μπορεί να φθάσει στα 1.700 ℃ , ενώ η αποδοτικότητα των μονοσικλικών και δισικλικών μπορεί να φθάσει στο 44% ~ 45% και 65% αντίστοιχα [10].

Συνοψίζοντας, παρά τις μεγάλες προόδους που έχει κάνει ο τεχνικός επίπεδος των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων στην Κίνα σε σύγκριση με το παρελθόν, υπάρχει ακόμη μεγάλη διαφορά στο επίπεδο της τεχνολογικής κατασκευής και της διατήρησης σε σύγκριση με τις ανεπτυγμένες χώρες, όπως εμφανίζεται στον Πίνακα 1. Εξαιτίας αυτού, οι εθνικοί κατασκευαστές και έρευνοι πρέπει να κατανοήσουν πρώτα την κατάσταση ανάπτυξης των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων στην Κίνα, να ενισχύσουν τη σημασία της έρευνας και ανάπτυξης των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων, ταυτόχρονα με την υποστήριξη εθνικών πολιτικών, να συνεχίσουν να αυξάνουν τη χρηματοδότηση για την έρευνα των τεχνολογιών βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων, να επικεντρώσουν τα πλεονεκτήματα όλων των πλευρών για την πλήρη ανάπτυξη των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων. Να προσπαθήσουν να μειώσουν τη διαφορά μεταξύ του τεχνικού επιπέδου των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων της χώρας μας και εκείνων των άλλων ανεπτυγμένων χωρών. Έτσι, το τεχνικό επίπεδο των βαρέων αεριού πυρηνιαίων στροβίλων στην Κίνα έχει ακόμη μεγάλο χώρο για ανάπτυξη, και η μελλοντική τάση ανάπτυξής της κινείται κυρίως προς τέσσερις κατευθύνσεις, δηλαδή, υψηλοί παράμετροι, υψηλή απόδοση, χαμηλή ρύπανση και μεγάλη κλίμακα [12].