बड़े गैस टर्बाइनों और उनकी थर्मल बैरियर कोटिंग का अनुसंधान और विकास धारा (1)

भारी उद्योग के क्षेत्र में, ऊष्मा-बिजली परिवर्तन प्रकार की बिजली उत्पादन उपकरण - भारी गैस टर्बाइन, छोटे क्षेत्रफल, छोटे समय चक्र, उच्च कुशलता, कम प्रदूषण और अन्य विशेषताओं के कारण विद्युत जाल के शिखर भार, ऊर्जा खनन और परिवहन, समुद्री बिजली उत्पादन, उन्नत जहाज़ बिजली, और अंतरिक्ष यात्रा आदि क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, और उन्हें "औद्योगिक मोती" कहा जाता है। एक निश्चित अर्थों में, राष्ट्रीय विनिर्माण उद्योग के समग्र विकास स्तर को भारी गैस टर्बाइन के अनुसंधान और विकास स्तर से नज़दीकी संबंधित है।

१९३९ में, स्विस BBC कंपनी ने विद्युत उत्पादन के लिए दुनिया की पहली हवाई टर्बाइन उत्पादित की, जिससे पूरे विश्व में भारी गैस टर्बाइनों का तेजी से विकास शुरू हुआ। अभी-अब तक, ऊर्जा संरक्षण और पर्यावरण सुरक्षा की मांग बढ़ रही है, और भारी गैस टर्बाइनों की उपयुक्तता की मांगों को भी सुधारा गया है, जिसका उद्देश्य उच्च कुशलता और कम उत्सर्जन है [1]। गैस टर्बाइनों की कुशलता पर प्रभाव डालने वाले दो मुख्य कारक हैं: एक टर्बाइन प्रवेश तापमान है, और दूसरा संपीड़क संपीड़न अनुपात है। उनमें से, अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि कैसे टर्बाइन प्रवेश तापमान को बढ़ाया जाए [2]। इसलिए, टर्बाइन ब्लेड, जो गैस टर्बाइन के मुख्य घटक हैं, टर्बाइन प्रवेश तापमान को मुख्य रूप से तीन बिंदुओं पर निर्भर करते हैं, जिनका नाम है: उच्च तापमान पर सहनशील धातु सामग्री, अग्रणी ठंडा प्रौद्योगिकी और थर्मल बैरियर कोटिंग प्रौद्योगिकी।

अ迩े कुछ वर्षों में, सुपरएलॉय ब्लेड डायरेक्शनल क्रिस्टल/सिंगल क्रिस्टल फॉर्मिंग तकनीक, थर्मल बैरियर कोटिंग तकनीक और गैस फिल्म कूलिंग तकनीक का विकास जोर से किया गया है [3]। बहुत सारे अध्ययनों ने पाया है कि डिज़ाइन की गई कूलिंग स्ट्रक्चर का उपयोग करने से हॉट एंड कंपोनेंट्स (टर्बाइन ब्लेड, कंबस्टिशन चेम्बर आदि) का सतही तापमान लगभग 500 तक कम हो सकता है ° सी, लेकिन यह अभी भी मांगों को पूरा करने के लिए पर्याप्त नहीं है। हालांकि, टर्बाइन ठंडा करने की प्रौद्योगिकी को सुधारने के लिए, शोधकर्ताओं द्वारा डिज़ाइन और बनाए गए ठंडे संरचनाएं न केवल बहुत जटिल हैं, बल्कि उन्हें प्रसंस्करण करना भी कठिन है। इसके अलावा, भारी ड्यूटी गैस टर्बाइन के पंखों को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली कई सुपरएलोइज़ अपने सीमा तापमान पर पहुंच चुकी हैं, जबकि बेहतर ऊष्मा प्रतिरोधी गुण वाले सिरामिक मैट्रिक्स कंपाउंड अभी तक अनुप्रयोग के लिए परिपक्व नहीं हैं [4]। इसकी तुलना में, ऊष्मा बारियर कोटिंग प्रौद्योगिकी की लागत कम है और उत्तम ऊष्मा अनाड़ी है। अध्ययनों ने दिखाया है कि 100 ~ 500 म्यू माइक्रोमीटर की ऊष्मा बारियर कोटिंग को थर्मल स्प्रे प्रौद्योगिकी का उपयोग करके टर्बाइन पंखों की सतह पर जमा किया जाता है, जिससे भारी ड्यूटी गैस टर्बाइन के पंखों के साथ उच्च-तापमान गैस का सीधा संपर्क रोका जा सकता है, और सतह का तापमान लगभग 100 ~ 300 ℃ डिग्री कम हो जाता है, ताकि भारी ड्यूटी गैस टर्बाइन को सुरक्षित रूप से सेवा में लाया जा सके [5-6].

इसलिए, विभिन्न कारकों को ध्यान में रखते हुए, भारी ड्यूटी गैस टर्बाइनों की उच्च कार्यक्षमता, कम उत्सर्जन और लंबी जीवन काल को प्राप्त करने का एकमात्र संभव और प्रभावी तरीका थर्मल बैरियर कोटिंग प्रौद्योगिकी है। यह प्रौद्योगिकी गैस टर्बाइनों और विमान इंजनों के गर्म छोर के घटकों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। उदाहरण के लिए, टर्बाइन ब्लेड की सतह पर थर्मल बैरियर कोटिंग स्प्रे की जाती है ताकि इसे उच्च-तापमान गैस से अलग किया जा सके, ब्लेड का सतही तापमान कम किया जा सके, ब्लेड की सेवा की अवधि बढ़ाई जा सके, और इसे उच्च तापमान पर काम करने की क्षमता दी जा सके, जिससे गैस टर्बाइन की कार्यक्षमता में सुधार होता है। 1940 और 1950 के दशक के अंतिम वर्षों में इसके विकास के बाद, थर्मल बैरियर कोटिंग ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है और दुनिया भर के कई वैज्ञानिक संस्थानों और कोटिंग निर्माताओं द्वारा इसे बढ़ावा दिया गया है, और आधुनिक उद्योग में थर्मल बैरियर कोटिंग प्रौद्योगिकी की मांग बढ़ती गई है। इसलिए, गैस टर्बाइनों के लिए थर्मल बैरियर कोटिंग का अध्ययन बड़े प्रायोजनात्मक और रणनीतिक महत्व का है।

गत वर्षों में, भारी ड्यूटी गैस टर्बाइन के लिए सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली कोटिंग अभी भी इट्रियम स्टेबिलाइज़्ड जिरोनिया (6-8YSZ) है, जिसका द्रव्यमान भिन्न 6 wt.% ~ 8 wt.% है, लेकिन YSZ कोटिंग को फेज रूपांतरण और छाँदने प्रवण होने के साथ-साथ 1200 से ऊपर के तापमान पर मोल्टन साल्ट की भी खराबी से प्रभावित होने का खतरा है। ℃ अर्थात् CMAS की खराबी (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 और अन्य सिलिकेट पदार्थ) और थर्मल की खराबी। तापमान 1200 से ऊपर पर काम करने के लिए कोटिंग को ठीक करने के लिए। ℃ लंबे समय से, शोधकर्ताओं ने कई प्रयास किए हैं, जिनमें थर्मल बारियर कोटिंग की खोज और विकास, थर्मल बारियर कोटिंग की तैयारी प्रक्रिया का सुधार, और कोटिंग की संरचना का नियंत्रण शामिल है। इसलिए, भारी गैस टर्बाइनों और थर्मल बारियर कोटिंग की प्रणाली संरचना, सामग्री और तैयारी विधियों की वर्तमान स्थिति के बारे में चर्चा करने के आधार पर, यह पत्र CMAS से बचने वाली गैस टर्बाइन थर्मल बारियर कोटिंग की शोध स्थिति का सारांश देता है और अन्य महत्वपूर्ण गुणों का प्रतिनिधित्व करता है, जो CMAS से बचने वाली थर्मल बारियर कोटिंग के शोध के लिए एक संदर्भ प्रदान करता है।

1 भारी गैस टर्बाइनों की स्थिति और विकास झुकाव

जब 1920 में दुनिया की पहली गैस टर्बाइन आई, तब से उद्योगी क्षेत्र में गैस टर्बाइनों का तेजी से विकास हुआ। अभी-अभाड़, वैश्विक भारी गैस टर्बाइन बाजार का पैमाना बढ़ता जा रहा है, देशों ने भारी गैस टर्बाइनों के अनुसंधान और विकास पर अधिक ध्यान दिया है, और पूंजी और श्रम के निवेश में वृद्धि की है, और भारी गैस टर्बाइनों का तकनीकी स्तर लगातार सुधार हुआ है। भारी गैस टर्बाइनों का तकनीकी स्तर टर्बाइन की प्रवेश तापमान स्तर पर निर्भर करता है, जिसे तापमान की सीमा के अनुसार E, F और H वर्गों में वर्गीकृत किया जा सकता है [7]। उनमें से, E वर्ग की शक्ति 100 ~ 200 MW है, F वर्ग की शक्ति 200 ~ 300 MW है, और H वर्ग की शक्ति 300 MW से अधिक है।

1.1 घरेलू भारी गैस टर्बाइनों की वर्तमान स्थिति

1950 के दशक में, चीन को अपने भारी गैस टर्बाइन को विदेशी कंपनियों [जनरल इलेक्ट्रिक (GE), जर्मनी की साइमेंस (Siemens), जापान की मित्सुबिशी हेवी इंडस्ट्रीज (MHI)] से पेश करना पड़ा, और फिर उन्हें स्वतंत्र रूप से डिजाइन, विकसित और बनाया गया। इस चरण में, हमारे देश की भारी गैस टर्बाइन प्रौद्योगिकी तेजी से विकसित हुई। 1980 के दशक में, चीन में तेल और गैस की कमी की गंभीर समस्या आई, और भारी गैस टर्बाइन प्रौद्योगिकी के विकास को बढ़ते रूप में निराशा में डाल दिया गया। 2002 तक, पश्चिम से पूर्व गैस परिवहन और हमारे देश में प्राकृतिक गैस के विकास और पेश करने के साथ, तेल और गैस की समस्या हल हो गई, और हमारे देश के भारी गैस टर्बाइनों ने अंततः विकास का एक नया चक्र शुरू किया [8]। वर्तमान में, चीन का भारी गैस टर्बाइन निर्माण मुख्य रूप से शंघाई इलेक्ट्रिक, डॉनफ़ांग इलेक्ट्रिक, हार्बिन इलेक्ट्रिक और अन्य कंपनियों पर निर्भर करता है।

2012 में, ऊर्जा क्षेत्र में "863" प्रमुख परियोजनाओं में, शेनयांग लींग कंपनी और चीन के प्रमुख विश्वविद्यालयों द्वारा विकसित R0110 हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन ने सफलतापूर्वक 72 घंटे की भार टेस्ट ऑपरेशन पूरी की, जिससे स्वतंत्र बौद्धिक सम्पत्ति अधिकारों वाले पहले हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन के सफल उत्पादन का पता चला, और इसकी आधार भार 114.5MW है। तापीय दक्षता 36% है। तब से, चीन विश्व में पांचवां देश बन गया है जिसके पास हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन के स्वतंत्र अनुसंधान और विकास की क्षमता है। 2014 में, शांघाई इलेक्ट्रिक ने इटली के एंसाल्डो में हिस्सेदारी खरीदी, जिसने विदेशी गैस टर्बाइन उद्योग पर अधिकार को तोड़ दिया, जिससे चीन ने E/F क्लास हॉवी गैस टर्बाइन की लोकप्रियता प्रारंभ की। 2019 में, चीना री-कंबस्टन के नेतृत्व में कई संस्थाओं की संयुक्त प्रौद्योगिकी ने F-क्लास 300 MW गैस टर्बाइन के पहले स्टेज मोविंग ब्लेड, पहले स्टेज स्टैटिक ब्लेड और ज्वालामुखी का सफल उत्पादन किया, जिससे चीन को हॉवी गैस टर्बाइन के गर्म छोर घटकों को बनाने की क्षमता प्राप्त हुई; उसी वर्ष, शांघाई इलेक्ट्रिक और एंसाल्डो ने H क्लास हॉवी गैस टर्बाइन GT36 का सफल विकास किया, जो हमारे देश में पहला H क्लास हॉवी गैस टर्बाइन बन गया। 2020 में, "973" परियोजना में, चीन डॉनफ़ांग इलेक्ट्रिक और शियां जियाओटोंग यूनिवर्सिटी द्वारा स्वतंत्र रूप से विकसित पहला F-क्लास 50 MW हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन (G50 कहा जाता है) ने सफलतापूर्वक पूर्ण भार स्थिर परीक्षण ऑपरेशन पूरा किया [9], जिससे यह साबित हुआ कि चीन अब F-क्लास हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन को स्वतंत्र रूप से विकसित करने में सफल हो गया है। जून 2022 में, जियांगसू योंगहान ने 300 MW हॉवी गैस टर्बाइन टर्बाइन ब्लेड के विकास में प्रारंभिक सफलता प्राप्त की, जिससे चीन के 300 MW हॉवी गैस टर्बाइन अनुसंधान और विकास की सफलता और भी बढ़ी। हालांकि, चीन में हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन प्रौद्योगिकी का स्तर तेजी से बढ़ रहा है, फिर भी घरेलू गैस टर्बाइन बाजार में मुख्य रूप से E/F क्लास गैस टर्बाइन का उपयोग किया जाता है। उनमें से सबसे अग्रणी हॉवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन की एकल-चक्र दक्षता 42% से 44% है, और संयुक्त चक्र दक्षता 62% से 64% है [10]।

1.2 विदेशों में भारी-दत्त गैस टर्बाइन का स्थिति-क्वो

हाल के वर्षों में वैश्विक विज्ञान और प्रौद्योगिकी और अर्थव्यवस्था में तेजी से विकास होने के बावजूद, भारी गैस टर्बाइन का तकनीकी स्तर धीरे-धीरे सुधर रहा है, लेकिन दुनिया के बड़े हिस्से का भारी गैस टर्बाइन बाजार अभी भी अमेरिका के GE, जापान के MHI, फ्रांस के Alstom और जर्मनी के Siemens द्वारा विभाजित है। उद्योग प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, भारी गैस टर्बाइन तकनीक अधिक परिपक्व हो गई है, और शोध और विकास का ध्यान विमान गैस टर्बाइन क्षेत्र से भारी गैस टर्बाइन क्षेत्र में धीरे-धीरे स्थानांतरित हो रहा है, और E, F, G, H, J वर्ग की गैस टर्बाइनों का विकास हुआ है।

वर्तमान में, भारी गैस टर्बाइन बाजार में, जापान के मित्सुबिशी के कई उत्पाद सार्वजनिक में अधिक लोकप्रिय हैं। इनमें से, मित्सुबिशी हेवी इंडस्ट्रीज़ द्वारा बनाई गई JAC प्रकार की गैस टर्बाइन को विश्व की सबसे कुशल गैस टर्बाइन के रूप में जाना जाता है, और इसकी संयुक्त चक्र बिजली उत्पादन की कुशलता 64% या इससे अधिक हो सकती है। M701J गैस टर्बाइन, विश्व की सबसे ऊंची थर्मल कुशलता वाली बिजली उत्पादन गैस टर्बाइन है, जिसकी साधारण चक्र शक्ति 470 MW है और संयुक्त चक्र शक्ति 680 MW है। इसके अलावा, M501J गैस टर्बाइन 50% बोझ की स्थितियों में भी 55% थर्मल कुशलता रखती है, और इसकी प्रदर्शन बहुत उत्कृष्ट है।

जर्मनी की साइमेंस द्वारा विकसित और निर्मित 50 HZ SGT5-9 000HL वर्ग का भारी गैस टर्बाइन दुनिया में एकल इकाई की सबसे अधिक आउटपुट शक्ति वाली सबसे शक्तिशाली भारी गैस टर्बाइन है। भारी गैस टर्बाइन संयुक्त चक्र प्रणाली में अधिकतम 840 MW बिजली उत्पन्न कर सकती है, और इसकी संयुक्त चक्र दक्षता भी 63% तक पहुंच जाती है, लेकिन यह संयुक्त चक्र में सबसे दक्ष गैस टर्बाइन नहीं है।

अक्टूबर 2019 में, GE ने 7HA.03 हेवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन को लॉन्च किया, जिसकी अधिकतम संयुक्त चक्र आउटपुट शक्ति साइमेंस की SGT5-9000HL क्लास हेवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन से थोड़ी कम है, 821 MW तक पहुंचती है, लेकिन इसकी अधिकतम संयुक्त चक्र दक्षता का अनुमान 63.9% तक लगाया गया है। 2022 में, 7HA.03 गैस टर्बाइन को पहली बार व्यापारिक रूप से संचालित किया गया, जिसमें संयुक्त चक्र विद्युत उत्पादन दक्षता 64% से अधिक और भार वृद्धि दर 75 MW/मिनट तक पहुंच गई। 7HA.03 गैस टर्बाइन द्वारा उत्सर्जनों को 70% तक कम किया जा सकता है। गैस-बर्निंग विद्युत उत्पादन से कार्बन उत्सर्जन को और भी कम करने के लिए, GE की 7HA.03 गैस टर्बाइन वर्तमान में आयतन के हिसाब से 50% हाइड्रोजन की ज्वाला लगाने का समर्थन करती है और एकल चक्र में 430 MW का शुद्ध आउटपुट है। एक 'वन-टो' 7HA.03 हेवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन पावर प्लांट अधिकतम 640 MW विद्युत उत्पादन प्रदान कर सकता है, जबकि एक 'टू-टो' 7HA.03 हेवी-ड्यूटी गैस टर्बाइन पावर प्लांट अधिकतम 1 282 MW विद्युत उत्पादन प्रदान कर सकता है।

आज, दुनिया के सबसे उन्नत भारी-ड्यूटी गैस टर्बाइन का इनलेट तापमान 1,600 तक पहुंच सकता है ° C [11]. कुछ पेशेवरों ने भविष्य में गैस टर्बाइन का अधिकतम इनलेट तापमान 1,700 तक पहुंच सकता है का अनुमान लगाया है ℃ , और एकल चक्र और संयुक्त चक्र की कुशलता क्रमशः 44% ~ 45% और 65% तक पहुंच सकती है [10].

सारांश में, भले ही चीन में भारी-ड्यूटी गैस टर्बाइन के तकनीकी स्तर में पिछले समय की तुलना में बड़ी प्रगति हुई है, परंतु विकसित देशों की तुलना में उत्पादन तकनीक और रखरखाव के स्तर में अभी भी बड़ा फर्क है, जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है। इस कारण, घरेलू निर्माताओं और शोधकर्ताओं को सबसे पहले चीन की भारी गैस टर्बाइन की विकास स्थिति को स्पष्ट रूप से समझना चाहिए, भारी गैस टर्बाइन के शोध और विकास की महत्वाकांक्षा को बढ़ाना चाहिए, साथ ही राष्ट्रीय नीतियों के समर्थन के साथ, भारी गैस टर्बाइन तकनीकी शोध में पूंजी का निवेश बढ़ाते रहना चाहिए, और सभी पक्षों के फायदों को ध्यान में रखकर भारी गैस टर्बाइनों के विकास में आगे बढ़ना चाहिए। हमारे देश की भारी-ड्यूटी गैस टर्बाइन तकनीकी स्तर और अन्य विकसित देशों के बीच का फर्क कम करने का प्रयास करें। इसलिए, चीन में भारी-ड्यूटी गैस टर्बाइन की तकनीकी स्तर में अभी भी विशाल विकास का अवसर है, और इसका भविष्य का विकास विशेष रूप से इन चार दिशाओं की ओर होगा, जिसे उच्च पैरामीटर, उच्च प्रदर्शन, कम प्रदूषण और बड़े पैमाने पर [12] विकास कहा जाता है।