Pētījumu progresā un attīstības tendences par smagajiem gāzu turbinu un to siltuma barjeru segumiem (1)

Jomā, kas saistīta ar smago rūpniecību, plašāk izmantotais siltuma-enerģijas pārvērtējuma tips elektroenerģijas ražošanas iekārtēm - smagie gāzes turbine, tādējādi kļūst par plaši izmantoto dēļ tās mazās platvārtnes, īsas ciklas, augstas efektivitātes un mazākas piesārņošanas īpašībām, kas tiek izmantotas elektrības tīklā virsmai lodes, enerģijas izcēlšanai un pārvadāšanai, jūras elektroenerģijas ražošanai, uzlabotajiem kuģu dzinējiem, kosmosa avīzēm un citiem jautājumiem, ko sauc par „rūpniecības perlu”. Noteikta mērā valsts ražošanas nozares kopējais attīstības līmenis ir tuvu saistīts ar smago gāzu turbinu pētījumu un attīstības līmeni.

1939. gadā Šveices BBC uzņēmums izstrādāja pasaulē pirmo smagās slodzes gāzu turbīnu elektroenerģijas ražošanai, kas atvēra ceļu smagām gāzu turbīnām visā pasaulē. Pēdējos gados pieaug enerģijas taupīšanas un videi draudzīgākas attieksmes prasības, un ar to arī smagajām gāzu turbīnām tiek uzdotas augstākas prasības, galvenokārt virzoties uz augstāku efektivitāti un zemākiem emisijām [1]. Turbīnas efektivitātei ietekmējoši ir divi galvenie faktori: pirmais ir turbīnas ieejas temperatūra, otro – kompresora kompresijas attiecība. No tiem svarīgākais jautājums ir tas, kā paaugstināt turbīnas ieejas temperatūru [2]. Tāpēc turbīnas loksnes, kuras ir centrālās daļas gāzu turbīnām, pamatojas uz trim punktiem, lai paaugstinātu ieejas temperatūru: augsttemperatūras metāla materiāli, jaunākie dzesēšanas tehnoloģijas un termiskā barjera ar košanās tehnoloģijas.

Pēdējos gados intensīvi ir attīstītas superaliju loksnes virziena kristālu/vienskristāla formēšanas tehnoloģijas, termiskā barjera apgabalu tehnoloģija un gāzu filmas dzesēšanas tehnoloģija [3]. Daudzi pētījumi norāda, ka izmantojot projektēto dzesēšanas struktūru, var samazināt karstošo daļu komponentu (turbinas loksnes, degvielas kameru utt.) virsmas temperatūru par aptuveni 500 ° C, tomēr tas joprojām nav pietiekami, lai atbilstu prasībām. Tomēr, lai turpinātu uzlabot turbinu dzesēšanas tehnoloģijas, dzesēšanas struktūras, kas tika dizainētas un izgatavotas pētniekiem, nav tikai ļoti sarežģītas, bet arī grūti apstrādāmas. Turklāt daudzas superalovu, kas tiek izmantotas, lai izgatavot smagdabīgu gāzu turbīnu loksnes, ir sasniegušas savus maksimālos temperatūru robežas, savukārt keramiskie matricas kompozīti ar labāku uzturēšanās spēju pret karstumu vēl nav pilnībā sagatavojušies pielietojumam [4]. Pretstatā termiskā barjera apgabals tehnoloģija ir zemāka cena un izcilna termiskā isolācija. Pētījumi parādīja, ka termiskā barjera apgabals 100 ~ 500 μ m tiek iedepēts uz turbinas loksnes virsmu ar termisku spraudzi, kas var novērst augstu temperatūras gāzu tiešo kontaktu ar smagdabīgas gāzu turbīnas loksnēm un samazināt virsmas temperatūru par aptuveni 100 ~ 300 °C , lai smagdabīgais gāzu turbinas varētu būt droši ieviest darbā [5-6].

Tādējādi, ņemot vērā dažādas faktoru, vienīgais iespējamais un efektīvais veids, kā sasniegt augstu efektivitāti, zemas emisijas un garu dienestisku dzīvi lielām gāzes turbīnām, ir termiskā barjera revēšanas tehnoloģija. Šī tehnoloģija plaši tiek izmantota gāzes turbīnu un lidmašīnu karstuma komponentos. Piemēram, uz turbīnas loksnes virsmas tiek noformēta termiskā barjera, lai to atdalītu no augsttemperatūras gāzēm, samazinātu loksnes virsmas temperatūru, ilgstinātu tās dienestiskās dzīves ilgumu un ļautu darboties augstākajā temperatūrā, kas savukārt uzlabo gāzes turbīnas efektivitāti. Kopš 1940. un 1950. gadu beigām termiskā barjera revēšana ir saņēmusi lielu uzmanību un tika aktīvi attīstīta daudzās zinātniskajās pētījumu iestādēs un revēšanas ražotāju uzņēmumos visā pasaulē, un modernajā rūpniecībā pieaug termiskās barjerās revēšanas tehnoloģijas prasības. Tādēļ gāzes turbīnu termiskās barjerās revēšanas pētījums ir ļoti praktisks un stratēģisks nozīmes.

Pēdējos gados visbiežāk izmantotā sega jomās, kas paredzētas lielām gāzes turbīnām, joprojām ir itrijas stabilizēta zirkonija (6-8YSZ) ar masas daļu 6 wt.% ~ 8 wt.%, tomēr YSZ sega nav tikai predisponēta fāzu pārvērtēšanās un sinterēšanā, bet arī drīzāk nodarbojas ar sālīšanas koroziju temperatūrās virs 1 200 °C . Tas nozīmē CMAS koroziju (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 un citas silikātu vielas) un termiskās korozijas. Lai sega var strādāt temperatūrās virs 1 200 °C Ilgu laiku zinātnieki ir veikuši daudz pūļu, tostarp atklājot un attīstot jaunas siltuma barjeru segas, uzlabojot šo segu pagatavošanas procesu un regulējot segas struktūru. Tāpēc, pamatojoties uz diskusiju par jomnieku gāzu turbinu stāvokli un sistēmas struktūru, siltuma barjeru segu materiāliem un pagatavošanas metodes, šajā rakstā kopsavilkts pētījumu stāvoklis par gāzu turbīnu siltuma barjeru segām pret CMAS koroziju un citām galvenajām īpašībām, nodrošinot atsauces materiālu siltuma barjeru segu pētījumam pret CMAS koroziju.

1 Jomnieku gāzu turbīnu stāvoklis un attīstības tendences

Kopš pasaules pirmā gāzes turbīna tika izstrādāta 1920. gadā, gāzes turbīnas strādājusi intensīvi attīstīties rūpniecības nozarē. Pēdējos gados globālā lielgabaru gāzes turbīnu tirgus apjoms turpinās pieaugt, valstis vairāk uzmanības pievērš lielgabaru gāzes turbīnu izpētes un attīstības jomai, turpinot palielināt finansiālo un cilvēkresursu ieguldījumus, un lielgabaru gāzes turbīnu tehniskais līmenis ir nepārtraukti uzlabojies. Lielgabaru gāzes turbīnu tehniskais līmenis noteikts ar turbīnas ieejas temperatūras līmeni, kas saskaņā ar temperatūras diapazonu var tikt sadalītas E, F un H klasēs [7]. No tām E klases spēks ir 100 ~ 200 MW, F klases spēks ir 200 ~ 300 MW, un H klases spēks ir vairāk nekā 300 MW.

1.1 vietējo lielgabaru gāzes turbīnu pašreizējā stāvoklis

1950. gados Ķīnas smagie gāzes turbinas bija jāiekšķer no ārvalstu uzņēmumiem [General Electric (GE), Vācijas Siemens (Siemens), Japānas Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], pēc tam tās tika neatkarīgi dizainētas, izstrādātas un pagatavotas. Šajā posmā mūsu valsts smago gāzu turbīnu tehnoloģija strauji attīstījās. 1980. gados Ķīnā radās nopietna naftas un gāzes trūkuma problēma, un smago gāzu turbīnu tehnoloģijas attīstība tika spiesta iet lejup. Līdz 2002. gadam, kad tika sākta gāzes pārvadāšana no rietumiem uz austrumiem un mūsu valstī tika attīstīta un iekšķerта dabasgāze, naftas un gāzes problēma tika atrisināta, un mūsu valsts smagie gāzu turbīni beidzot sāka jaunu attīstības posmu [8]. Pašlaik Ķīnas smago gāzu turbīnu ražošanā galvenokārt atbalstās uz Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric un citiem uzņēmumiem.

2012. gadā, "863" galvenajos projektos enerģētikas jomā, Shenyang Leing kompānijas un Kīnas lielisku universitāšu izstrādātais R0110 smagais gāzes turbine veiksmīgi pabeidza 72 stundu slodzes testa darbību, kas atzīmē pirmo smago gāzes turbinu ar neatkarīgu intelektuālo īpašumu veiksmīgu ražošanu, kuras pamatslodze ir 114,5 MW. Termiskā efektivitāte sasniedz 36%. No tā brīža Kīna ir kļuvusi par piekto valsti pasaulē, kas ir ieguvusi spēju neatkarīgi izstrādāt smagus gāzes turbinas. 2014. gadā Šanhai Elektroenerģētika nopirka Ansaldo akcijas Itālijā, pārtraucot uzņēmējdarbības monopolu gāzu turbīnu nozarē, kas arī deva iespēju Kīnai sākt E/F klases smago gāzu turbīnu lokālizāciju. 2019. gadā, vadīts Kīnas Re-Combustion, vairāku institūciju kopīgā tehnoloģija veiksmīgi ražoja F klases 300 MW gāzu turbīnas pirmo posmu kustamo loksni, pirmo posmu statisko loksni un degvielas komoru, kas atzīmē to, ka Kīna tagad var sākt ražot smago gāzu turbīnu karstās daļas elementus; tas pats gads Šanhai Elektroenerģētika un Ansaldo veiksmīgi izstrādāja H klases smago gāzu turbīnu GT36, kļūstot par pirmo H klases smago gāzu turbīnu, kas ir izstrādāta mūsu valstī. 2020. gadā, "973" projektā, Kīnas Dongfang Elektroenerģētika un Xian Dabas zinātņu universitāte neatkarīgi izstrādātā pirmā F klases 50 MW smago gāzu turbīna (saucama par G50) veiksmīgi pabeidza pilnas slodzes stabilo testa darbību [9], kas liecina, ka Kīna jau var neatkarīgi izstrādāt F klases smago gāzu turbīnu. 2022. gada jūnijā Jiangsu Yonghan piedalījās 300 MW smago gāzu turbīnu turbinas loksnes izstrādē pēc sākotnējā veiksmīga tests, atzīmējot Kīnas 300 MW smago gāzu turbīnu izstrādes veiksmes paplašināšanos. Tomēr, lai gan Kīnas smago gāzu turbīnu tehnoloģiju līmenis strauji uzlabojas, E/F klases gāzu turbīnas joprojām dominē vietējā gāzu turbīnu tirgū. No tām, kas ir vismodernākās vietējā tirgū, vienā cikla efektivitāte sasniedz 42% līdz 44%, savukārt kombinētā cikla efektivitāte sasniedz 62% līdz 64%[10].

1.2 Status kvota lielām gāzes turbinām uz valstībām ārpus Eiropas

Neraugoties uz pēdējo laiku strausto globālo zinātnes, tehnoloģiju un ekonomikas attīstību, lielo gāzes turbīnu tehnoloģiju līmenis ir progresīvi uzlabojies, tomēr lielā daļa pasaules tirgus joprojām tiek sadalīta starp ASV GE, Japānas MHI, Francijas Alstom un Vācijas Siemens. Ar rūpnieciskās tehnoloģijas attīstību lielu gāzu turbīnu tehnoloģija ir kļuvusi par labāk izstrādātu, un pētījumu un attīstības fokus vēlāk ir pārcelts no aviācijas gāzu turbīnu jomā uz lielu gāzu turbīnu jomu, un ir izstrādātas E, F, G, H, J klases gāzu turbīnas.

Pašlaik smagajā gāzes turbīnu tirgū daudzas Japānas Mitsubishi produktu ir iemīlējušas sabiedrību. Starp tiem Mitsubishi Heavy Industries ražotais JAC tips gāzes turbīna tiek uzskatīta par pasaulē efektivāko gāzes turbīnu, un tās savienotā cikla elektroenerģijas ražošanas efektivitāte var sasniegt 64% vai pat vairāk. M701J gāzes turbīna, pasaules augstākā termiskā efektivitātei elektroenerģijas ražošanai paredzētā gāzes turbīna, ir vienkārša cikla jauda 470 MW un savienotā cikla jauda 680 MW. Turklāt M501J gāzes turbīna joprojām uztur 55% termisko efektivitāti 50% slodzes apstākļos, un tās īpašumi ir ļoti izcilī.

50 HZ SGT5-9 000HL klases smagais gāzes turbine, kuru izstrādāja un ražoja Vācijas Siemens, ir visvienmērīgākā smagā gāzes turbine ar lielāko vienotās sistēmas izvadi pasaulē. Smagā gāzes turbine var radīt līdz 840 MW elektroenerģijas savienotā cikla režīmā, un tās savienotā cikla efektivitāte sasniedz arī 63%, tomēr tā nav efektivākā gāzes turbine savienotajā ciklā.

Oktobrī 2019. gadā uzņēmums GE ieslēdza 7HA.03 smagās gāzes turbine, kuras maksimālais kombinētā cikla izvades spēks ir mazliet zemāks nekā Siemens SGT5-9000HL klases smagās gāzes turbine, sasniedzot 821 MW, tomēr tās maksimālā kombinētā cikla efektivitāte tiek novērtēta līdz 63,9 %. 2022. gadā 7HA.03 gāzes turbines tika ieviesta komercoperācijā pirmo reizi ar kombinēto ciklu elektroenerģijas ražošanas efektivitāti vairāk nekā 64 % un krājuma pieauguma ātrumu līdz 75 MW/min. 7HA.03 gāzes turbine var samazināt emisijas par 70 %. Lai vēl vairāk samazinātu gāzes elektrostaciju oglekļa emisijas, GE 7HA.03 gāzes turbine pašlaik atbalsta 50 % hirogēna apjoma sagānes un vienā ciklā neto izvadi 430 MW. "Vienreizēja" 7HA.03 smagās gāzes turbine elektrostacijas var nodrošināt elektroenerģijas ražošanu līdz 640 MW, savukārt "divreizēja" 7HA.03 smagās gāzes turbine elektrostacijas var nodrošināt elektroenerģijas ražošanu līdz 1 282 MW.

Šodien, pasaules vissodernākajiem smagajiem gāzu turbinu ieejas temperatūra sasniedz līdz 1600 ° °C [11]. Daži speciālisti ir prognozējuši, ka nākotnē gāzu turbīnu maksimālā ieejas temperatūra var sasniegt 1700 °C , un vienkāršā un kombinētā cikla efektivitāte var sasniegt atbilstoši 44% ~ 45% un 65% [10].

Kopsavilkumā, lai gan Ķīnas smagās gāzes turbīnu tehniskais līmenis salīdzinājumā ar pagātni ir sasniegušies lielas panākumi, ražošanas tehnoloģiju un uzturēšanas jomā joprojām pastāv liels atstarpes starp attīstītajām valstīm, kā parādīts Tabulā 1. Tādējādi vietēji ražotāji un pētnieki vispirms jāuzved to uzmanību uz Ķīnas smago gāzu turbīnu attīstības stāvokli, uzlabojot smago gāzu turbīnu pētījumu un izstrādes nozīmi, vienlaikus ar valsts politikas atbalstu turpināt pieaugošu kapitālu ieguldījumu smago gāzu turbīnu tehnoloģiju pētījumos, koncentrējoties uz visu pušu priekšrocību pilnveidošanu smago gāzu turbīnu pilnīgai attīstībai. Mēģiniet saīsināt atstarpi starp mūsu valsts smago gāzu turbīnu tehnoloģijas līmeni un citu attīstīto valstu līmeni. Tādēļ Ķīnas smago gāzu turbīnu tehniskais līmenis joprojām ir liels attīstības potenciāls, un tā nākamais attīstības trends galvenokārt vērsties četriem aspektiem, proti, augstiem parametriem, augstiem rādītajiem, zema piesārņojuma un lielā mēroga [12].