Napredak istraživanja i razvojni trend teških plinovitih turibina i njihovih toplinskih barijernih obloga (1)

U području teške industrije, češće korištene opreme za pretvoru topline u snagu - težak plinski turbine, zbog male površine, kratkog ciklusa, visoke učinkovitosti, manje zagađenja i drugih karakteristika široko se koriste u mreži za vrhunski opterećivanje, istraživanje i prijenos energije, oceansku proizvodnju električne energije, napredne brodove s snagom, aerosonda i druga područja, nazivajući se "industrijskim biserom". U određenom smislu, cjelokupni razvojni nivo nacionalne proizvodnje usko je povezan s razvojnim nivoom težak plinskih turina.

1939. je švicarska tvrtka BBC proizvela prvu u svijetu tešku plinsku turbine za generiranje električne energije, što je započelo brzi razvoj teških plinskih turina širom svijeta. U posljednjih godina, rastući su potrebe za štednjom energije i zaštito okoliša, a uz to se poboljšavaju i zahtjevi za performansama teških plinskih turina, usmjerene prema cilju visoke učinkovitosti i niskim emisijama [1]. Postoji dva glavna čimbenika koji utječu na učinkovitost plinskih turina: jedan je temperatura ulaznog zraka u turbinu, a drugi je kompresorijski omjer tlačenja. Među njima, ključnija stvar je kako povećati temperaturu ulaznog zraka u turbinu [2]. Stoga su turbinski listovi, kao jezgra komponente plinskih turina, ovisni o tri točke za povećanje temperature ulaznog zraka, a to su otporni materijali na visoke temperature, napredna hladnjiva tehnologija i termičko izolacijska obloga.

U posljednjih godina, intenzivno se razvijaju tehnologije formiranja smerovitih kristala/jedinstvenih kristala od superlegure, tehnologija toplinske barijerske oblake i tehnologija plinske filmске hlađenje [3]. Brojna istraživanja su pokazala da korištenje dizajnirane hlađeće strukture može smanjiti površinsku temperaturu komponenti na toplem kraju (turbinske lopice, gorišne komore itd.) za oko 500 ° C, ali to još uvijek nije dovoljno za ispunjavanje zahtjeva. Međutim, kako bi se nastavilo s unapređivanjem tehnologije hlađenja turbine, hlađajuće strukture koje su istraživači dizajnirali i proizveli nisu samo vrlo složene, već i teško obradivane. Također, mnogi superalojevi koji se koriste za proizvodnju lopatica visokonatronih turina dosli su do svojih graničnih temperature, dok se keramički kompozitni materijali s boljom toplinskom otpornosću još uvijek ne mogu pouzdano primjenjivati [4]. U usporedbi, tehnologija topline izolacijskog obloga ima niže troškove i odlične topline karakteristike. Istraživanja su pokazala da se topline izolacijski oblog od 100 ~ 500 μ m nanosi na površinu lopatice termospriskom tehnologijom, što spriječava direktni kontakt između visokotemperaturne plinove i lopatice visokonatronog turbine, a smanjuje površinsku temperaturu za oko 100 ~ 300 ℃ , tako da se visokonatrone turbine mogu sigurno stavit u pogon [5-6].

Stoga, uzimajući u obzir različite čimbenike, jedini izvediv i učinkovit način postizanja visoke učinkovitosti, niskih emisija i dugog života teških plinskih turbine je tehnologija toplinskih barijernih obloga. Ova tehnologija široko se koristi u komponentama na toploj strani plinskih turbine i avijskih motora. Na primjer, toplinska barijerana obloga se natječe na površinu turbinovog lopatica kako bi ga odvojila od visoko temperature plina, smanjujući temperaturu površine lopatica, produžavajući njegovu trajnost i omogućujući mu da radi pri višoj temperaturi, time poboljšavajući učinkovitost plinske turbine. Od početka razvoja u kasnim 1940-ima i ranim 1950-ima, tehnologija toplinskih barijernih obloga privukla je veliku pažnju i jachenje promoviranje i razvoj od strane mnogih znanstvenih institucija i proizvođača obloga širom svijeta, a potražnja za tehnologijom toplinskih barijernih obloga u moderne industriji sve je postajala nagonačnija. Stoga, istraživanje toplinskih barijernih obloga za plinske turbine ima veliku praktičnu i strategsku važnost.

U posljednjih godina, najšireći korijeni sloj koji se koristi za teške plinske turbine još uvijek je itrijum stabilizirana cirkozija (6-8YSZ) s masenom frakcijom od 6 wt.% ~ 8 wt.%, ali sloj YSZ osim što je podložan fazi transformaciji i sjedinjenju, također je podložan tunicajućem korištenju na temperaturama iznad 1 200 ℃ . To jest, CMAS korištenje (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 i druge silikatne tvari) i toplinsko korištenje. Da bi sloj mogao raditi na temperaturama iznad 1 200 ℃ dugo vrijeme su istraživači napravili mnoge pokuše, uključujući pronaći i razviti nove topline barijerne obloge, poboljšati postupak pripreme topline barijernih obloga i regulirati strukturu oblike. Stoga, na temelju rasprave o stanju težkih plinovih turbine i sustavnoj strukturi, materijalima i metodama pripreme topline barijernih obloga, ovaj članak sažima stanje istraživanja topline barijernih obloga plinovitih turbine protiv CMAS korozije i drugih ključnih svojstava, pružajući referencu za istraživanje topline barijernih obloga protiv CMAS korozije.

1 Stanje i trendovi razvoja težkih plinovitih turbine

Kako je prvi plinski turbine na svijetu izašao 1920., plinske turbine su počele brzo se razvijati u industrijskom području. U posljednjih godina, veličina globalnog tržišta teških plinskih turbine neprestano raste, države više paže na istraživanje i razvoj teških plinskih turbine, a nastoje povećavati kapitalne i ljudske uloge, te se tehnološka razina teških plinskih turbine stalno poboljšava. Tehnički nivo teških plinskih turbine određen je temperaturnim nivoom ulazne turbine, što se može podijeliti u E, F i H kategorije prema rasponu temperature [7]. Među njima, snaga klase E iznosi 100 ~ 200 MW, snaga klase F iznosi 200 ~ 300 MW, a snaga klase H prelazi 300 MW.

1.1 Trenutno stanje domaćih teških plinskih turbine

U 1950-ima, teške plinske turbine koje je Kina trebala uvesti su bile od stranih tvrtki [General Electric (GE), njemačka Siemens (Siemens), japanska Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], a zatim su neovisno dizajnirane, razvijene i proizvedene. U ovom se fazu brzo razvila tehnologija teških plinskih turbiina u našoj zemlji. U 1980-ima, u Kinu se pojavio ozbiljan problem nedostatka ulja i plina, što je prisilio razvoj tehnologije teških plinskih turbiina da upadne u depresivni stanje. Do 2002., uz prijenos plina s zapada na istok i razvoj i uvod plina u našoj zemlji, problem ulja i plina je riješen, a teške plinske turbine u našoj zemlji su konačno počele novi krug razvoja [8]. Trenutno, proizvodnja teških plinskih turbiina u Kini uglavnom ovisi o tvrtkama poput Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric i drugim tvrtkama.

2012. godine, u velikim projektima "863" u području energije, teški plinski turbine R0110, razvijene od strane tvrtke Shenyang Leing i glavnih sveučilišta u Kini, uspješno su izvršile 72 satna opterećivanja testiranja rada, što označava uspješnu proizvodnju prve teške plinske turbine s neovisnim intelektualnim vlasništvom, a njena osnovna opterećenja snaga je 114,5 MW. Termička učinkovitost iznosi 36%. Od tada se Kina postala peti zemlja na svijetu koja ima sposobnost neovisnog istraživanja i razvoja teških plinskih turbine. 2014. godine, Shanghai Electric je nabavila udio u Ansaldo-u iz Italije, što je prekinulo inozemni monopoli u industriji plinskih turbine, čime je također Kina početno ostvarila lokalizaciju E/F klase teških plinskih turbine. 2019. godine, pod vodstvom China Re-Combustion-a, zajednička tehnologija nekoliko institucija uspješno je proizvela prvi stup pomičnog lišća, prvi stup statičnog lišća i gorište F klase 300 MW plinske turbine, što označava da je Kina bila u stanju početno proizvesti topline komponente teških plinskih turbine; Iste godine, Shanghai Electric i Ansaldo uspješno su razvili H klasu tešku plinsku turbinu GT36, postajući prva H klasa teška plinska turbinu koja je razvijena u našoj zemlji. 2020. godine, u projektu "973", prva F klasa 50 MW teška plinska turbinu (nazvana G50), neovisno razvijena od strane China Dongfang Electric i Xi'an Jiaotong Sveučilišta, uspješno je izvršila puno opterećenje stabilnog testiranja rada [9], što ukazuje na to da je Kina bila u mogućnosti početno neovisno razvijati F klasu teških plinskih turbine. U lipnju 2022., Jiangsu Yonghan je sudjelovala u razvoju lopatica turbline za 300 MW tešku plinsku turbinu nakon početnog uspjeha testiranja, što označava još jedan korak naprijed u razvoju 300 MW teških plinskih turbine u Kiniji. Međutim, iako se razina tehnologije teških plinskih turbine u Kini brzo poboljšava, E/F klase plinske turbine su još uvijek glavni dio domaćeg tržišta plinskih turbine. Među njima, jednokrilna učinkovitost najnaprednijih teških plinskih turbine na domaćem tržištu iznosi 42% do 44%, a kombinirana krilna učinkovitost iznosi 62% do 64%[10].

1.2 Status quo velikih plinskih turbine izvan zemlje

Naproti brzom razvoju svjetske znanosti, tehnologije i ekonomije u posljednjim godinama, tehnološki nivo velikih plinskih turbine je postojano poboljšao, ali je velika část svjetskog tržišta velikih plinskih turbine još uvijek podijeljena između američke firme GE, japanske MHI, francuske Alstom i njemačke Siemens. S razvojem industrijske tehnologije, tehnologija velikih plinskih turbine je postala zreleja, a fokus istraživanja i razvoja je postepeno pomaknut s područja avijskih plinskih turbine na područje velikih plinskih turbine, razvijajući se turbine E, F, G, H, J klase.

U trenutku, na tržištu teških plinskih turbine, proizvodi japonske Mitsubishi su popularni između javnosti. Među njima, plinska turbina tipa JAC proizvedena od strane Mitsubishi Heavy Industries poznata je kao najefikasnija plinska turbina na svijetu, a njezina učinkovitost kombiniranog ciklusa može dostići 64% ili čak više. Plinska turbina M701J, turbina s najvećom toplinskom učinkovitosti za proizvodnju električne energije na svijetu, ima jednostavnu ciklusnu snagu od 470 MW i kombiniranu ciklusnu snagu od 680 MW. Također, plinska turbina M501J još uvijek ima 55% toplinske učinkovitosti u uvjetima opterećenja od 50%, a njezina performanse su vrlo odlične.

Turbina 50 HZ SGT5-9 000HL klase, razvijena i proizvedena od strane Siemensa iz Njemačke, je najmoćnija teža plinska turbina s najvećom izlaznom moću jedne jedinice na svijetu. Teža plinska turbina može proizvesti do 840 MW električne energije u kombiniranom ciklusu, a njegova učinkovitost u kombiniranom ciklusu također iznosi 63%, ali nije to najefikasnija plinska turbina u kombiniranom ciklusu.

U listopadu 2019., GE je lansirao tešku plinsku turbine modela 7HA.03, koja ima maksimalnu izlaznu snagu u kombiniranom ciklusu malo nižu od Siemensove SGT5-9000HL klase teške plinske turbine, dostižeći 821 MW, ali se procjenjuje da joj maksimalna učinkovitost u kombiniranom ciklusu može iznijeti čak 63,9%. Godine 2022., plinska turbine 7HA.03 je prvi put stigla do komercijalne eksploatacije s učinkovitošću generiranja električne energije u kombiniranom ciklusu preko 64% i brzinom rasta opterećenja do 75 MW/min. Plinska turbines 7HA.03 može smanjiti emisije za 70%. Da bi se dalje smanjile ugljične emisije iz plinske elektroproizvodnje, GE-ova plinska turbines 7HA.03 trenutno podržava gorenje 50% vodika po volumenu i ima neto izlaznu snagu od 430 MW u jednom ciklusu. "Jedan-tow" elektrostanica s teškom plinskom turbine 7HA.03 može proizvesti do 640 MW električne energije, dok "dva-tow" elektrostanica s teškom plinskom turbine 7HA.03 može proizvesti do 1 282 MW električne energije.

Danas, temperatura ulaznog strujanja svijeta najnaprednijih teških plinovitih turbine može biti tako visoka kao i 1.600 ° C [11]. Neki stručnjaci su predvidjeli da će maksimalna temperatura ulaznog strujanja plinovitih turbine u budućnosti moći dostići 1.700 ℃ , a učinkovitost jednostavnog ciklusa i kombiniranog ciklusa može dostići od 44% ~ 45% i 65% redom [10].

Ukratko, iako se tehnološki nivo teških plinskih turbine u Kini značajno napredovao u odnosu na prošlost, postoji još uvijek veliki razmak između razina proizvodnje i održavanja u usporedbi s razvijenim zemljama, kao što je prikazano u Tabeli 1. Zbog toga, domaći proizvođači i istraživači prvo moraju jasno shvatiti trenutni status razvoja teških plinskih turbine u Kini, povećati važnost istraživanja i razvoja teških plinskih turbine, uz podršku državnih politika, nastaviti povećavati ulaganja u istraživanje tehnologije teških plinskih turbine, fokusirati se na prednosti svih strana za potpuni razvoj teških plinskih turbine. Pokušati suzbiti razmak između tehnološkog nivoa teških plinskih turbine u našoj zemlji i onih u drugim razvijenim zemljama. Stoga, tehnološki nivo teških plinskih turbine u Kini još uvijek ima ogroman razvojni potencijal, a njegova buduća smjernica razvoja glasi prema četiri aspekta, a to su visoki parametri, visoka performanca, mala zagađivanja i veliki obim [12].