Tyrimų pažanga ir sunkių dujinių turbinų bei jų termalinių barjerinių pokrovų kūrimo tendencijos (1)

Tęstame jūrų pramonės srityje dažniausiai naudojama šilumos-jėgos konversijos tipo energijos gamybos įrenginys – sunkus dujinis variklis, dėl jo mažo ploto, trumpo ciklo, aukštos efektyvumo, mažesnių teršalų ir kitų savybių plačiai yra naudojami elektros tinklu viršutiniu krūviu, energijos iškaitos ir perdavimo, jūrų energijos gamybos, modernių laivų jėgų, kosmoso mokslo ir kitose srityse, vadinamos „pramonės žibintele“. Kai kuriose srityse, nacionalinės gamybos pramonės bendras tobulėjimas yra gana glaudžiai susijęs su sunkiais dujiniais varikliais tyrimo ir kūrimo lygiu.

1939 m. šveicariška BBC įmonė sukūrė pirmąją pasaulio gilią dujų garą elektros gamybai, kuri pradėjo skatinę giliųjų dujų garių greitą plėtrą visame pasaulyje. Paskutiniu laiku auga energijos vamzdžių ir aplinkosaugos poreikis, todėl giliųjų dujų garių našumas taip pat yra pagerinamas linkiant aukštos našumo ir mažų išmetamųjų dujų tikslams [1]. Yra du pagrindiniai veiksniai, kurie paveikia dujų garių našumą: pirmasis – garių įeities temperatūra, o antrasis – kompresoriaus glaudymo santykis. Tarp jų ypatingai svarbu – kaip padidinti garių įeities temperatūrą [2]. Todėl turbinos lapeliai, kaip giliųjų dujų garių branduoliniai elementai, galioja pagal tris aspektus, siekdami padidinti garių įeities temperatūrą: aukštai atsparūs metaliniai medžiagos, modernios šaldymo technologijos ir termalinių barjerinių sluoksnių technologija.

Naujausi metais buvo intensyviai vystomi technologijos: superaliejų lopų krypčių kristalo/vienojo kristalo formavimas, šilumos barijerinis spalvotas ir dujų filmo šaldymas [3]. Daugelio tyrimų metu buvo nustatyta, kad naudojant projektuotą šaldymo struktūrą, galima sumažinti karštinių komponentų (turbininės lopos, degimo kambariai ir kt.) paviršiaus temperatūrą apie 500 ° C, tačiau jis vis dar nepakankamas, kad atitiktų reikalavimus. Tačiau siekiant tolesnių turbinės šaldo technologijų patobulinimų, šaldymo struktūros, kurias projektuoja ir gamina tyrimai, yra ne tik labai sudėtingos, bet ir sunkios apdoroti. Be to, dauguma superaliejų, naudojama gaminant sunkiojo dujinio varžovo lopas, pasiekė savo maksimalią temperatūrą, o keraminių matricų kompozituose, turinčiuose geresnę karštumos išoliaciją, aplikacinės galimybės dar nėra pakankamai pažengusios [4]. Palyginti su kitais sprendimais, karštumos barjerinis sluoksnis yra pigesnis ir turi puikią karštumo išoliaciją. μ m yra deponuojamas ant turbinės lopos paviršiaus naudojant termine spręžimą, dėl ko galima išvengti aukštos temperatūros dujų tiesioginio susilietimo su sunkiojo dujinio varžovo lopa ir sumažinti jos paviršiaus temperatūrą apie 100 ~ 300 ℃ , todėl sunkus dujinis varžovas gali būti saugiai įvestas eksploatavimui [5-6].

Taigi, įvertindami įvairius veiksnius, vienintelis realus ir efektyvus būdas pasiekti aukštos našumo, mažas išmetamųjų dujų ir ilgą gyvavimą sunkiesiems dujotviniams varomajams turbinoms yra šiluminės barjerinės sluoksnio technologija. Ši technologija plačiai naudojama dujotvinių turbinų ir oro variklių karštosios dalies komponentuose. Pavyzdžiui, ant turbinos lopos paviršiaus spraigtinamas šiluminis barjerinis sluoksnis, kad jis atskirtų lopą nuo aukšt temperatūros dujų, sumažintų lopos paviršiaus temperatūrą, prilygintų jos tarnavimo laiką ir leistų dirbti aukstesnėse temperatūrose, taip pat tobulinant dujotvinę turbina. Nuojautos 1940-ųjų ir 1950-ųjų metų pradžioje, kai buvo pradėtas šiluminio barjerinio sluoksnio kūrimas, jis suskirstė didelį dėmesį ir buvo aktyviai skatinamas ir tobulinamas daugelyje mokslo institucijų ir sluoksnio gamintojų visame pasaulyje, o šiuolaikinėje pramonėje reikalavimas šiluminio barjerinio sluoksnio technologijomis taps vis labiau aktingas. Todėl dujotvinių turbinų šiluminio barjerinio sluoksnio tyrimas turi didelę praktinę ir strateginę reikšmę.

Naujausių metų metu populiariausias aptarnavimas sunkioms dujinioms turbinoms vis dar yra itrio stabilizuota cirkonija (6-8YSZ) su masinio dalies kiekio 6 wt.% ~ 8 wt.%, tačiau YSZ sluoksnis yra ne tik pažeidžiamas fazės transformacijai ir šiluminiams sprogdymams, bet taip pat gali kenkti dėl druskos korozijos temperatūrose virš 1200 ℃ . Tai yra CMAS korozija (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ir kitos silikato medžiagos) bei termine korozija. Norint padaryti, kad sluoksnis veiktų temperatūrose aukštesniuose nei 1200 ℃ ilgą laiką tyrinėjai įdarbino daug pastangų, įskaitant naujų termiškų barjerinių pelų paiešką ir kūrimą, jų gamybos proceso patobulinimą bei pelio struktūros reguliavimą. Taigi, remiantis sunkiuosius dujiniais turbinomis ir termiškų barjerinių pelų sistemos struktūra, medžiagomis bei jų gamybos būdais aptartuose aspektuose, šiame darbe apžvelgiama dujinės turbinės termiškų barjerinių pelų CMAS korozijos priešinimo tyrimų situacija bei kitų pagrindinių savybių, teikiant nuorodą tyrimams dėl termiškų barjerinių pelų, priešiniančių CMAS korozijai.

1 Sunkiosios dujinės turbina statusas ir plėtros tendencijos

Nuo 1920 m., kai pasaulio istorijoje buvo sukurtas pirmasis dujų turbininis variklis, dujų turbinės greitai plėtojo save pramone. Paskutiniu metu globalus sunkiųjų dujų turbinų rinkos mastas vis didėja, šalys labiau dėmesio skiria sunkiųjų dujų turbinų tyrimams ir plėtrai, o taip pat padidina finansinius išteklius ir darbo jėgą, investuojamą į šią sritį, todėl sunkiosios dujų turbinės technologijų lygis visą laiką tobulėja. sunkiosios dujų turbinės technologijų lygis yra apibrėžiamas pagal turbinės įeities temperatūros lygį, kurį galima padalinti į E, F ir H klasę pagal temperatūros intervalą [7]. Jos tarpusavyje skiriasi galiomis: E klasės galią sudaro 100–200 MW, F klasės – 200–300 MW, o H klasės galią viršija 300 MW.

1.1 Vidusvalstybės sunkiosios dujų turbinės esamosios padėtys

1950-aisiais Kinijos sunkiosios dujų dūdžio technologijos buvo pristatytos užsienio įmonėmis [General Electric (GE), Vokietijos Siemens (Siemens), Japonijos Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], o vėliau jie buvo sukurti, kurti ir gaminti nepriklausomai. Šioje faze sunkiosios dujų dūdžio technologija mūsų šalyje greitai išsivystė. 1980-aisiais Kinijoje atsirado rimtas naftos ir dujų trūkumo problemos, o sunkiosios dujų dūdžio technologijos kūrimas buvo nutrauktas. Tik 2002 metais, kartu su vakarų į rytus dujų perdavimu ir natūraliųjų dujų kūrų Kinijoje, buvo išspręsta naftos ir dujų problema, o sunkūs dujų dūdžiai mūsų šalyje galiausiai pradėjo naują kūrimo etapą [8]. Šiuo metu Kinijos sunkiųjų dujų dūdžių gamyba pagrindiniu būdu priklauso Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric ir kitoms įmonėms.

2012 m. „863“ didžiųjų projektų energijos srityje R0110 sunkiojo dujų turbinės, kurią sukūrė Shenjango Leing kompanija ir Kinijos universitetai, sėkmingai baigė 72 valandų apkrovos bandymo veikimą, tai reiškia pirmąją sunkią dujų turbina su nepriklausomais intelektiniais teisėgumais sėkmingai pagamintą, o jos pagrindinė apkrova yra 114,5 MW. Termine efektyvumas siekia 36 %. Tada Kinija taps penkta pasaulyje šaliu, turinčia nepriklausomus sunkiosios dujų turbinės tyrimo ir plėtros gebėjimus. 2014 m. Šanchajaus Elektra įsigijo dalį Ansaldo, Italijoje, uždarant užsienio monopolį dujų turbinės pramonėje, tai taip pat padarė, kad Kinija pradėjo realizuoti E/F klasės sunkiųjų dujų turbinų lokalizaciją. 2019 m. Kinijos Perdavimo atnaujinimu lyderiuose kelias institucijas jungiant technologijos sėkmingai pagamino F klasės 300 MW dujų turbinės pirmąjį judančią spalvą, pirmąjį statinį lapą ir degimo kambarį, tai reiškia, kad Kinija jau gali pradėti gaminti sunkiųjų dujų turbinų karštąjį gabaliuką; tame pačiame metai Šanchajaus Elektra ir Ansaldo sėkmingai išstrigo H klasės sunkioji dujų turbina GT36, tai tapo pirmąja mūsų šalyje išstrigusia H klasės sunkioji dujų turbina. 2020 m. „973“ projekte pirmoji F klasės 50 MW sunkioji dujų turbina (vadinama G50), kurią nepriklausomai sukūrė Kinijos Rytų elektros ir Šiaongio Jiaotungo universitetas, sėkmingai baigė visą apkrovą stabiliu bandomuoju veikimu [9], tai rodo, kad Kinija jau gali nepriklausomai pradėti F klasės sunkiųjų dujų turbinų plėtrą. 2022 m. birželį Jiangsu Yonghan dalyvavo 300 MW sunkiosios dujų turbinės turbininių lapų kūrimo po pradinio sėkmingo bandymo, tai žymi tolesnį Kinijos 300 MW sunkiosios dujų turbinės tyrimo ir plėtros sėkmę. Tačiau nors Kinijoje sunkiosios dujų turbinės technologijų lygis greitai kyla, E/F klasės dujų turbinės vis dar yra pagrindinė dalis vidaus rinkoje. Jos vidutinis vieneto efektyvumas yra 42 % iki 44 %, o jungtinis ciklas yra 62 % iki 64 %[10].

1.2 Esaminis padėtis dėl sunkių dujų turbinų užsienyje

Nepaisant greito pasaulio mokslo ir technologijų bei ekonomikos vystymosi paskutiniu metu, sunkiosios dujų turbinos techninis lygis pastoviai tobulėja, tačiau didelis pasaulio sunkiųjų dujų turbinų rinkos dalis vis dar yra padalinta tarp JAV GE, Japonijos MHI, Prancūzijos Alstom ir Vokietijos Siemens. Su pramoninės technologijos vystymusi, sunkiosios dujų turbinos technologija tapo sudomėsta, o tyrimų ir plėtros akcentas laipsniškai persikėlė iš oro dujų turbinų srities į sunkiųjų dujų turbinų sritį, kurio metu buvo sukurtos E, F, G, H, J klasės dujų turbinos.

Šiuo metu sunkiojo dujų turbinų rinkoje Japonijos Mitsubishi produktai yra labai populiarūs. Iš jų, Mitsubishi Heavy Industries gaminti JAC tipo dujų turbinos yra pavadintos kaip pasaulio efektyviausios dujų turbinos, o jų jungtinis ciklas gali pasiekti 64% arba aukštesnę našumą. M701J dujų turbina, turinčia aukščiausią šiluminę našumą iš visų pasaulio elektros gamybos dujų turbinų, turi paprasto ciklo galios 470 MW ir jungtinio ciklo galios 680 MW. Be to, M501J dujų turbina dar turi 55% šiluminės našumos, dirbdama 50% apkrovos sąlygomis, o jos charakteristikos yra labai puikios.

50 HZ SGT5-9 000HL klasės sunkus dujų turbinas, kurį sukūrė ir gamino Vokietijos Siemens, yra galingiausias sunkus dujų turbinas pasaulyje, turintis didžiausią vienos vietovės išteklių galimybę. Ši sunkioji dujų turbina jungtinėje ciklo veikimo režime gali pateikti iki 840 MW elektros energijos, o jos jungtinių ciklų efektyvumas taip pat siekia 63%, nors tai nėra efektyviausia dujų turbina jungtiniame cikle.

Kovo mėnesį 2019 GE paskelbė 7HA.03 sunkiosios našumos dujų variklį, kurio maksimalus jungtinis ciklas išnyksta gana mažai nižesnis už Siemens SGT5-9000HL klasės sunkius dujų variklius, pasiekdamas 821 MW, tačiau jo jungtiniame cikle efektyvumas yra apskaičiuotas siekiant iki 63,9%. 2022 metais 7HA.03 dujų variklis pirmą kartą buvo įdiegtas komerciniam veikimui, su jungtiniu ciklu elektros gamybos efektyvumu virš 64% ir apkrovos augimo greičiu iki 75 MW/min. 7HA.03 dujų variklis gali sumažinti išmetamų teršalų lygį iki 70%. Norint dar labiau sumažinti dujų elektrinės anglies dvidegį, GE 7HA.03 dujų variklis esant laiko sąlygoms galės deginti 50% hidrogeno pagal tūrį ir turėti 430 MW neturinį išėjimą viename cikle. „Viena-remena“ 7HA.03 sunkiosios našumos dujų variklio elektrinė gali tiekti iki 640 MW energijos, o „dvi-remenė“ 7HA.03 sunkiosios našumos dujų variklio elektrinė gali tiekti iki 1282 MW.

Šiandien, pasaulio giliausiai tobulintų sunkiųjų dujotvarkinių įvairoji temperatūra gali būti iki 1 600 ° C [11]. Kai kurie specialistai prognozuoja, kad ateityje dujotvarkinių maksimali įvairoji temperatūra gali pasiekti 1 700 ℃ , o vieno ciklo ir jungtinio ciklo efektyvumas gali pasiekti atitinkamai 44% ~ 45% ir 65% [10].

Kopijavus, nors Kinijoje sunkios naftos dujinės techninis lygis palyginti su praeitu metu padarykimai didelis pažangos žingsnis, vis dar yra didelis skirtumas gamybos technologijų ir priežiūros lygiuose, lyginant su išsivysčiusiomis šalimis, kaip parodyta lentele 1. Dėl to vietinės gamintojos ir tyrintys pirmaujant turėtų aiškiai suprasti Kinijos sunkios dujinės vandens garo vystymosi būseną, pagerinti sunkios dujinės vandens garo tyrimo ir plėtros svarbą, tuo pat metu su valstybės politikos parama tęsti didesnių investicijų į sunkios dujinės vandens garo technologijų tyrimą, susitelkti ant visų pusų privalumų siekiant pilnai išplėtoti sunkias dujinės vandens garas. Bandykite sumažinti skirtumą tarp mūsų šalies sunkios dujinės vandens garo technologijų lygio ir kitų išsivysčiusių šalių. Taigi, Kinijos sunkios dujinės vandens garo techninis lygis vis dar turi didelę plėtros galimybę, o ateities vystymasis pagrįstas keturiais aspektais, t.y. aukštais parametrais, aukšta kokybe, mažais taršos lygiais ir dideliu mastu [12].