התקדמות מחקר וטנדים לפיתוח של טורבינות גז כבדות והכיסויים התרמיים שלהם (1)

בתחום התעשייה הכבדה, סוג המרה של חום-כוח שמשתמש במתקנים להפקת אנרגיה - טורבינה גז כבדה, בשל השטח הקטן, מחזור קצר, יעילות גבוהה, מינימום זיהום ותכונות אחרות, נמצאת בשימוש נרחב בתחומים כמו בקרת פיקים ברשת החשמל, חפירה וסיפוק אנרגיה, ייצור חשמל באוקיינוס, ספינות מתקדמות, תעופה וחלל, והמכונה "PEAT". בהקשר מסוים, רמת הפיתוח הכוללת של התעשייה הלאומית קשורה קשר הדוק לרמת המחקר והפיתוח של טורבינות גז כבדות.

ב-1939, חברת BBC השווייצרית יצרה את גלגל הטורבינה הכבדה הראשון בעולם לשימוש בהפקת חשמל, מה שהתחיל את התפתחות המהירה של טורבינות גז כבדות ברחבי העולם. בשנים האחרונות, הדרישה לחיסכון באנרגיה ובהגנה על הסביבה גדלה, והדרישות לביצועים של טורבינות גז כבדות שופרו גם כן, לכיוון יעילות גבוהה יותר ואמצעי נמוכים [1]. יש שני גורמים עיקריים המשפ השפיעו על יעילותן של טורבינות גז: האחד הוא טמפרטורת כניסה לטורבינה, והשני הוא מנה העיוור של דחיסה בקומפרסר. ביניהם, הדבר החשוב יותר הוא כיצד להעלות את טמפרטורת הכניסה לטורבינה [2]. לכן, אטמי הטורבינה, כרכיבים המרכזיים של טורבינות הגז, משפרים את טמפרטורת הכניסה לטורבינה בעיקר בשל שלוש נקודות, כלומר, חומרים מתכתיים Chịמתנגדים לטמפרטורות גבוהות, טכנולוגיה מתקדמת לצינון וטכנולוגיה של תחתית חסימת חום.

בשנים האחרונות, פותחה TECHNOLOGY תכנית כיוון קריסטל סופר-אלוי / יחיד, טכנולוגיית קוטר חסום תermal ו-Tecnología קירור גז סרט. מחקרים רבים גילו ששימוש במבנה קירור מתוכנן יכול להפחית את הטמפרטורה על פני השטח של המרכיבים בחומת החום (גפי טורבינה, תאים בעירה וכו ') בכ - 500 ° C, אך זה עדיין לא מספיק כדי להיפגש בדרישות. עם זאת, על מנת להמשיך לשפר את טכנולוגיית הקירור של הטורבינה, המבנים לקירור שתוכננו ונתו יצרו על ידי המחקרנים אינם רק מאוד מורכבים, אלא גם קשים לעיבוד. בנוסף, הרבה מהעליתללים המשמשים לייצור אגפי הטורבינה הכבדה הגיעו לטמפרטורות הגבול שלהן, בעוד שהposite Ceramic Matrix בעלי התנגדות חום טובה יותר לא הוכנסו לשימוש בשלמות [4]. בהשוואה, טכנולוגיית קרום הבידוד החום יש לה עלות נמוכה יותר ובידוד חום מצוין. מחקרים הראו כי קרום הבידוד החום בגודל 100 ~ 500 μ מ מוחמר על פני אגף הטורבינה באמצעות טכנולוגיית הפצת חום, מה שמאפשר להימנע מגישה ישירה בין גז חם לבין אגף הטורבינה של הטורבינה הכבדה, ומעריך להוריד את טמפרטורת הפנים בכ- 100 ~ 300 ℃ מ, כך שהטורבינה הכבדה יכולה להכנס לשימוש בבטחה [5-6].

לכן, בהתחשב בגורמים שונים, השיטה היחידה שתקיפה ויעילה כדי להשיג יעילות גבוהה, פליטת גזים נמוכה וחיים ארוכים לטורבינות גז כבדות היא טכנולוגיית תכשיט חום. טכנולוגיה זו בשימוש נרחב ברכיבי הקצה החם של טורבינות גז ומנועי אוויר. למשל, תכשיט חום מוסט על פני שפלה של טורבינה כדי להפריד אותה מגז חם, להפחית את הטמפרטורה על פני השפלה, להאריך את חיי השפלה, ולהאפשר לה לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר, מה שמשפר את יעילות הטורבינה. מאז התפתחותה בשנות ה-40 וה-50 של המאה הקודמת, טכנולוגיית תכשיט חום משיכה תשומת לב רבה ונעשתה נושא לפיתוח עז על ידי מוסדות מחקר רבים ובתי ייצור תכשיטים ברחבי העולם, והצורך בטכנולוגיית תכשיט חום בתעשייה המודרנית נעשה דחוף יותר ויותר. לכן, המחקר על תכשיט חום עבור טורבינות גז הוא בעל חשיבות מעשית וסטרטגית גדולה.

בשנים האחרונות, המכסה הנרחבת ביותר בשימוש לטורבינות גז כבדות היא עדיין צירקוניה מאובטחת ביטריום (6-8YSZ) עם שברת מס של 6% ~ 8%, אך מכסה YSZ נוטה לא רק להפיכת פאזה ולחיתוך, אלא גם לשבירה על ידי תרכובות מלח מומוחות בטמפרטורות מעל 1,200 ℃ . כלומר, התדרדרות CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ותרכובות סיליקטיות אחרות) והשחמת חום. כדי שהמכסה תעבוד בטמפרטורות מעל 1,200 ℃ במשך זמן רב, חוקרים ביצעו מאמצים רבים, כולל מציאת פיתוח של תכשיטים חדשים נגד מחסומים תרמיים, שיפור תהליך הכנת התכשיטים התרמילים, והשליטה בהרכב התכשיט. לכן, על בסיס דיון tentang מצבם הנוכחי של טורבינות גז כבדות והמבנה של המערכת, חומרים ותהליך הכנה של תכשיטים תרמיים, המאמר מסכם את מצב המחקר של תכשיטים תרמיים לטורבינות גז נגד התאכלות CMAS ותכונות מפתח אחרות, מה שמספק הפניה למחקר על תכשיטים תרמיים נגד התאכלות CMAS.

1 סטטוס ועוצמה של פיתוח טורבינות גז כבדות

מאז שגזרה הטורבינה הראשונה בעולם יצאה לשוק ב-1920, הטורבינות הגז החלו לפתח במהירות בתחום התעשייתי. בשנים האחרונות, ממדים של שוק הטורבינות הכבדה העולמית ממשיכים לגדול, מדינות מסתכלות יותר על הפיתוח והמחקר של טורבינות כבדות, וממשיכות להגדיל את השקעה של הון וכוח אדם, והרמה הטכנית של הטורבינות הכבדות מתעדנת כל הזמן. הרמה הטכנית של הטורבינות הכבדות נקבעת על פי רמת חום כניסה לטורבינה, שאפשר לחלק אותן לסוגים E, F ו-H לפי טווח הטמפרטורה [7]. בהן, הכוח של הסוג E הוא 100 ~ 200 מגהוואט, הכוח של הסוג F הוא 200 ~ 300 מגהוואט, והכוח של הסוג H הוא יותר מ-300 מגהוואט.

1.1 מצב נוכחי של טורבינות כבדות מקומיות

בשנות ה-50, טורבינות גז כבדות של סין היו צריכות להיבא על ידי חברות זרות [ג'נרל אלקטרקטריק (GE), סימנס מגרמניה (Siemens), ומיצובישי האינדוסטריס מיפן (MHI)], ואז להיעצב, לפתח וליצר באופן עצמאי. בתקופה זו, טכנולוגיית הטורבינות הכבדות של המדינה שלנו התפתחה במהירות. בשנות ה-80, נוצר בעיה חמורה של מחסור בגז ובנפט בסין, מה שגרם להתפתחות טכנולוגיית הטורבינות הכבדות להכנס למצב ירידה. עד שנת 2002, עם העברת הגז ממערב למזרח והפיתוח והיבוא של גז טבעי במדינה שלנו, בעיית הנפט והגז נפתרה, וטורבינות הגז הכבדות במדינה שלנו החלו לבסוף את סיבוב התפתחות חדש [8]. כיום, ייצור טורבינות הגז הכבדות בסין תלוי בעיקר בחברות כמו שאנגחאי אלקטריק, דונגפאנג אלקטריק, חר빈 אלקטריק ואחרות.

ב-2012, במסגרת פרויקטים גדולים של "863" בתחום האנרגיה, הטורבינה הגזית הכבדה R0110 שפותחה על ידי חברת Shenyang Leing ומוסדות אקדמיים גדולים בסין השלימה בהצלחה את בדיקת הפעולה תחת עומס של 72 שעות, דבר שסימן את הצלחתה הראשונה בייצור טורבינה גז כבדה עם זכויות יוצרים עצמאיות, והעומס הבסיסי שלה הוא 114.5MW. התאוצת החום היא 36%. מאז, סין הפכה למדינה החמישית בעולם שיש לה יכולת מחקר ופיתוח עצמאי של טורבינות גז כבדות. ב-2014, חברת Shanghai Electric קנתה חלק מ-Ansaldo באיטליה, דבר שפרץ את המונופול הזר על תעשיית הטורבינות הגזיות, מה שהביא גם לסינון ראשונית של טורבינות גז כבדות מסדרת E/F. ב-2019, תחת ההנהגה של China Re-Combustion, TECHNOLOGY של מספר מוסדות הצליחה לייצר את החלק המזיז הראשון, את החלק הסטטי הראשון ואת חדר ההבערה של טורבינת גז F-класс 300 MW, מה שסימן שסין כבר מסוגלת לייצר באופן/Dkוני את חלקי הקצה החם של טורבינות גז כבדות; באותה שנה, Shanghai Electric ו-Ansaldo הצליחו לפתח את הטורבינה הכבדה H-класс GT36, שהפכה לטורבינה הכבדה הראשונה בסדרת H שפותחה במדינה שלנו. ב-2020, במסגרת פרוייקט "973", טורבינת הגז הכבדה מסדרת F בעוצמה של 50 MW (שנקראת G50) שפותחה באופן עצמאי על ידי China Dongfang Electric ו-Xi'an Jiaotong University השלימה בהצלחה את בדיקת הפעולה המלאה והיציבה [9], מה שמעיד שסין כבר מסוגלת לפתח באופן עצמאי את טורבינות הגז הכבדות מסדרת F. ביוני 2022, Jiangsu Yonghan השתתפה בהצלחתה הראשונית של פיתוח עלה טורבינה של טורבינת גז כבדה בעוצמה של 300 MW, מה שסימן התקדמות נוספת בהצלחת הפיתוח של טורבינות גז כבדות בעוצמה של 300 MW בסין. עם זאת, למרות שהרמה הטכנולוגית של טורבינות הגז הכבדות בסין עולה במהירות, טורבינות מסדרת E/F עדיין בשימוש העיקרי בשוק המקומי של טורבינות גז. ביניהן, התאוצת החום במחזור יחיד של הטורבינות הכבדות הכי מתקדמות בשוק המקומי היא בין 42% ל-44%, והיעילות של המחזור המשולב היא בין 62% ל-64%[10].

1.2 מצב הקיים של טורבינות גז כבדות בחו מחוץ לארץ

למרות התפתחות מהירה של המדע והטכנולוגיה העולמית והכלכלה בשנים האחרונות, רמת הטכנולוגיה של טורבינות גז כבדות שופרה בהדרגה, אך חלק גדול משווקי טורבינות הגז הכבדים בעולם עדיין מחולק בין GE בארה ארצות הברית, MHI יפן, Alstom צרפת ו-Siemens גרמניה. עם התפתחות תעשיות הטכנולוגיה, טכנולוגיית טורבינות הגז הכבד הפכה יותר בשלמה, והמוקד של פיתוח ומחקר עבר בהדרגה מהתחום של טורבינות גז תעופה לתחום של טורבינות גז כבדות, ובינתיים פותחו טורבינות גז מסוג E, F, G, H, J.

בזמננו, בשוק הטורבינות הכבדות, מוצרים רבים של מיצובישי מיפן זוכים לתהודה רבה בקרב הקהל. בינהם, הטורבינה מסוג JAC שמיוצרת על ידי מיצובישי הייביס קובעת את תואר הטורבינה היעילה ביותר בעולם, עם יעילות ייצור חשמל במחזור משולב שאפשר שתגיע ל-64% או אפילו יותר. הטורבינה M701J היא הטורבינה בעלת היעילות התרמית הגבוהה ביותר בעולם לייצור חשמל, עם כוח מחזור פשוט של 470 מגהוואט וכוח מחזור משולב של 680 מגהוואט. בנוסף, הטורבינה M501J עדיין מחזיקה ביעילות תרמית של 55% גם בתנאי עומס של 50%, והביצועים שלה מצטיינים מאוד.

הטורבינה הכבדה SGT5-9000HL מחלקה 50 הרצ' שפותחה ויוצרה על ידי סימנס מגרמניה היא הטורבינה הכבדה העוצמתית ביותר בעולם עם תכולת כוח גבוהה ביותר ליחידת יחידה. הטורבינה הכבדה יכולה להפיק עד 840 מגהוואט חשמל במצב מחזור משולב, והיעילות של המחזור המשולב גם כן מגיעה ל-63%, אך זו איננה הטורבינה המהירה ביותר במצב מחזור משולב.

באוקטוברtober 2019, שיפרה GE את הטורבינה הכבדה 7HA.03, אשר יש לה תועלת מקסימלית של מחזור משולב מעט נמוכה מזו של טורבינת הכוח הכבדה SGT5-9000HL של Siemens, המגיעה ל-821 MW, אך יעילות המחזור המשולב המקסימלית שלה מוערכת כ-63.9%. ב-2022, נכנסה טורבינת הגז 7HA.03 לשימוש מסחרי לראשונה, עם יעילות ייצור חשמל של מחזור משולב עולה על 64% וקצב צמיחה של עומס מגיע עד 75 MW/דקה. טורבינת הגז 7HA.03 יכולה להפחית את השיחת החומרים באחוז של 70%. כדי להפחית עוד יותר את פליטת הפחמן מייצור חשמל בגז, טורבינת הגז 7HA.03 של GE תומכת כעת בעריכת 50% של מימן לפי נפח ויש לה תועלת נטו של 430 MW במחזור יחיד. תחנת כוח עם טורבינת גז כבדה 7HA.03 "חד-משוטחת" יכולה לייצר עד 640 MW של חשמל, בעוד שתחנת כוח עם שתי טורבינות גז כבדות 7HA.03 "דו-משוטחות" יכולה לייצר עד 1,282 MW של חשמל.

היום, טמפרטורת הכניסה של גזוניות כבדות מתקדמות ביותר בעולם היא גבוהה כמו 1,600 ° °C [11]. מספר מקצוענים ציפו שטמפרטורת הכניסה המרבית של גזוניות בעתיד יכולה להגיע ל-1,700 ℃ °C, והיעילות של מחזור חד ומחזור משולב יכולה להגיעה ל-44% ~ 45% ו-65% בהתאמה [10].

בתקציר, אף שהמפלס הטכני של טורבינה גז כבדה בסין עשה התקדמות גדולה בהשוואה לעבר, עדיין יש פער גדול במפלס הטכנולוגיה הייצורית והתחזוקה בהשוואה למדינות מפותחות, כפי שמוצג בטבלה 1. בגלל זה, יצרנים מקומיים וחוקרים צריכים קודם כל להבין בבירור את מצב ההתקדמות של טורבינות הגז הכבדות בסין, להעלות את חשיבות המחקר והפיתוח של טורבינות גז כבדות, ובאותו זמן לקבל את התמיכה של המדיניות הלאומיות, להמשיך ולהגדיל את השקעה הכספית במחקר טכנולוגי של טורבינות גז כבדות, להתמקד ב ADVANTAGES של כל הצדדים לפיתוח מלא של טורבינות גז כבדות. לנסות לקטן את הפער בין מפלס הטכנולוגיה של טורבינות הגז הכבדות במדינה שלנו לבין אלו של מדינות מפותחות אחרות. לכן, המפלס הטכני של טורבינות הגז הכבדות בסין עדיין יש לו מרחב גדול לפיתוח, והציווי העתידי שלו הוא בעיקר בכיוונים אלה ארבעה, כלומר, פרמטרים גבוהים, תכונות גבוהות, זיהום נמוך ומערכת גדלה [12].