Kemajuan penyelidikan dan trend pembangunan turbin gas berat serta penapis penghalang terma mereka (1)

Dalam bidang industri berat, peralatan pembangkit tenaga yang lebih umum jenis penukaran haba-kuasa - turbin gas berat, disebabkan oleh tapak kecil, kitaran pendek, kecekapan tinggi, kurang pencemaran dan ciri-ciri lain digunakan secara meluas dalam beban puncak grid elektrik, penambangan dan penghantaran tenaga, pembangkitan kuasa laut, kuasa kapal moden, penerbangan angkasa dan bidang lain, dipanggil "mutiara industri". Dalam satu makna tertentu, tahap keseluruhan pembangunan industri negara adalah berkait rapat dengan tahap penyelidikan dan pembangunan turbin gas berat.

Pada tahun 1939, syarikat BBC Switzerland menghasilkan turbin gas berbeban tinggi pertama di dunia untuk pengeluaran elektrik, yang mana memulakan perkembangan pesat turbin gas berbeban tinggi di seluruh dunia. Dalam beberapa tahun kebelakang, permintaan akan keupayaan dan perlindungan alam sekitar semakin meningkat, dan keperluan prestasi bagi turbin gas berbeban tinggi juga ditingkatkan, menuju kepada matlamat kecekapan tinggi dan pelepasan rendah [1]. Terdapat dua faktor utama yang mempengaruhi kecekapan turbin gas: satu adalah suhu masukan turbin, dan yang lain adalah nisbah pemampatan penyedut. Di antara itu, perkara yang lebih kritikal adalah bagaimana cara untuk meningkatkan suhu masukan turbin [2]. Oleh itu, bilah turbin, sebagai komponen teras turbin gas, meningkatkan suhu masukan turbin terutamanya bergantung kepada tiga perkara, iaitu, bahan logam tahan panas, teknologi penyejukan canggih, dan teknologi pelapisan penghalang haba.

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pembentukan kristal arah superaloi bilah/kristal tunggal, teknologi pelapisan penghalang panas dan teknologi penyejukan filem gas telah dikembangkan dengan kuat [3]. Kajian yang banyak telah mendapati bahawa menggunakan struktur penyejuk yang direka boleh mengurangkan suhu permukaan komponen hujung panas (bilah turbin, kamar pembakaran, dll.) sekitar 500 ° C, tetapi masih belum cukup untuk memenuhi keperluan. Walau bagaimanapun, untuk terus meningkatkan teknologi penyejukan turbin, struktur penyejuk yang direka dan dihasilkan oleh penyelidik tidak sahaja sangat kompleks, tetapi juga sukar untuk diproses. Selain itu, ramai superaloi yang digunakan untuk membuatkan bilah turbin gas berbebanan tinggi telah mencapai suhu hadnya, manakala komposit matriks keramik dengan ketahanan haba yang lebih baik belum masak untuk aplikasi [4]. Sebaliknya, teknologi pelapisan penghalang terma mempunyai kos yang lebih rendah dan penghabaan terma yang cemerlang. Kajian menunjukkan bahawa pelapisan penghalang terma 100 ~ 500 μ m dilapiskan pada permukaan bilah turbin melalui teknologi penyembur terma, yang boleh mengelakkan hubungan langsung antara gas panas dan bilah turbin turbin gas berbebanan tinggi, dan mengurangkan suhu permukaan sekitar 100 ~ 300 ℃ , supaya turbin gas berbebanan tinggi boleh dimasukkan perkhidmatan dengan selamat [5-6].

Oleh itu, dengan mempertimbangkan pelbagai faktor, kaedah satu-satunya yang munasabah dan berkesan untuk mencapai kecekapan tinggi, pelepasan rendah dan hayat panjang bagi turbin gas berbeban tinggi adalah teknologi penapis halang panas. Teknologi ini digunakan secara meluas dalam komponen hujung panas turbin gas dan enjin udara. Sebagai contoh, penapis halang panas disemprotkan pada permukaan bilah turbin untuk memisahkan ia daripada gas suhu tinggi, mengurangkan suhu permukaan bilah, memanjangkan tempoh khidmat bilah, dan membolehkannya beroperasi pada suhu lebih tinggi, dengan itu meningkatkan kecekapan turbin gas. Bermula sejak akhir 1940-an dan awal 1950-an, penapis halang panas telah menarik perhatian besar dan diperkenalkan serta dikembangkan dengan ganas oleh banyak institusi penyelidikan sains dan pembuat keluli di seluruh dunia, dan permintaan teknologi penapis halang panas dalam industri moden semakin mendesak. Oleh itu, kajian tentang penapis halang panas untuk turbin gas mempunyai kepentingan praktikal dan strategik yang besar.

Dalam beberapa tahun terakhir, pelapisan yang paling banyak digunakan untuk turbin gas berat masih merupakan zirkonia stabil yttrium (6-8YSZ) dengan fraksi jisim 6 wt.% ~ 8 wt.%, tetapi pelapisan YSZ tidak hanya cenderung mengalami transformasi fasa dan penyinteran, tetapi juga rentan terhadap kerosakan garam cair pada suhu lebih dari 1 200 ℃ . Iaitu, kerosakan CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 dan bahan silikat lainnya) dan kerosakan terma. Untuk membolehkan pelapisan bekerja pada suhu lebih daripada 1 200 ℃ selama tempoh yang lama, para penyelidik telah membuat banyak usaha, termasuk mencari dan membangunkan pelapis penghalang haba baru, membaiki proses penyediaan pelapis penghalang haba, dan mengatur struktur pelapis. Oleh itu, berdasarkan kepada perbincangan mengenai keadaan semasa turbin gas berat dan struktur sistem, bahan dan kaedah penyediaan pelapis penghalang haba, kertas ini merangkumi status penyelidikan pelapis penghalang haba turbin gas terhadap kerosakan CMAS dan sifat utama lainnya, memberikan rujukan untuk penyelidikan pelapis penghalang haba terhadap kerosakan CMAS.

1 Kedudukan dan trend perkembangan turbin gas berat

Sejak turbin gas pertama di dunia dikeluarkan pada tahun 1920, turbin gas telah berkembang dengan pesat dalam bidang perindustrian. Dalam beberapa tahun terakhir, skala pasaran turbin gas berat global terus bertambah, negara-negara memberi perhatian yang lebih kepada penyelidikan dan pembangunan turbin gas berat, dan terus meningkatkan pelaburan modal dan tenaga kerja, serta tahap teknologi turbin gas berat telah sentiasa diperbaiki. Tahap teknologi turbin gas berat ditentukan oleh suhu masukan turbin, yang boleh dikategorikan kepada kelas E, F dan H mengikut julat suhu [7]. Di antaranya, kuasa kelas E adalah 100 ~ 200 MW, kuasa kelas F adalah 200 ~ 300 MW, dan kuasa kelas H adalah lebih daripada 300 MW.

1.1 Kedudukan semasa turbin gas berat dalam negara

Pada 1950-an, turbin gas berat China perlu diperkenalkan oleh syarikat asing [General Electric (GE), Siemens Jerman (Siemens), Mitsubishi Heavy Industries Jepun (MHI)], dan kemudian direka bentuk, dikembangkan, dan diproduksi secara mandiri. Pada fasa ini, teknologi turbin gas berat negara kita telah berkembang dengan pantas. Pada 1980-an, masalah ketara kekurangan minyak dan gas berlaku di China, dan pembangunan teknologi turbin gas berat dipaksa ke dalam keadaan penurunan. Hingga tahun 2002, dengan penghantaran gas barat-timur dan pembangunan serta pengenalan gas alam di negara kita, masalah minyak dan gas telah diselesaikan, dan turbin gas berat di negara kita akhirnya bermula dengan satu pusingan pembangunan yang baru [8]. Sekarang, pengeluaran turbin gas berat China terutamanya bergantung kepada syarikat seperti Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric dan lain-lain.

Pada tahun 2012, dalam projek utama "863" di bidang tenaga, turbin gas berat R0110 yang dikembangkan oleh Syarikat Shenyang Leing dan universiti-universiti utama di China telah berjaya menyiapkan ujian operasi beban 72 jam, yang menandakan kejayaan pengeluaran turbin gas berat pertama dengan hak milik intelek sendiri, dengan beban asas 114.5MW. Kefahaman terma adalah 36%. Sejak itu, China telah menjadi negara kelima di dunia yang mempunyai keupayaan penyelidikan dan pembangunan turbin gas berat secara mandiri. Pada tahun 2014, Shanghai Electric membeli saham dalam Ansaldo, Itali, mematahkan monopoli asing dalam industri turbin gas, yang juga membuat China mula mencapai penyeragaman turbin gas berat kelas E/F. Pada tahun 2019, bawah kepimpinan China Re-Combustion, teknologi bersama beberapa institusi berjaya menghasilkan bilah gerak peringkat pertama, bilah statik peringkat pertama dan ruang pembakaran turbin gas kelas F 300 MW, yang menandakan bahawa China sudah boleh menghasilkan komponen hujung panas turbin gas berat secara awal; Pada tahun yang sama, Shanghai Electric dan Ansaldo berjaya mengembangkan turbin gas berat kelas H GT36, menjadi turbin gas berat kelas H pertama yang dikembangkan di negara kita. Pada tahun 2020, dalam projek "973", turbin gas berat kelas F 50 MW pertama (dipanggil G50) yang dikembangkan secara mandiri oleh China Dongfang Electric dan Universiti Xi'an Jiaotong berjaya menyelesaikan ujian operasi stabil penuh [9], yang menunjukkan bahawa China sudah boleh mengembangkan turbin gas berat kelas F secara mandiri. Pada Jun 2022, Jiangsu Yonghan menyertai pembangunan bilah turbin gas berat 300 MW selepas kejayaan awal ujian, menandakan kejayaan pembangunan semula turbin gas berat 300 MW di China. Walau bagaimanapun, walaupun tahap teknologi turbin gas berat di China meningkat dengan pantas, turbin gas kelas E/F masih digunakan secara meluas di pasaran turbin gas dalam negara. Antaranya, kefahaman single-siklus turbin gas berat paling canggih di pasaran dalam negara adalah 42% hingga 44%, dan kefahaman siklus gabungan adalah 62% hingga 64%[10].

1.2 Kedudukan semasa turbin gas berat di luar negara

Walaupun sains dan teknologi global serta ekonomi telah berkembang dengan pesat dalam beberapa tahun terakhir, tahap teknologi turbin gas berat telah meningkat secara bertahap, tetapi sebahagian besar pasaran turbin gas berat dunia masih dibahagikan oleh GE Amerika Syarikat, MHI Jepun, Alstom Perancis dan Siemens Jerman. Dengan perkembangan teknologi perindustrian, teknologi turbin gas berat telah menjadi lebih matang, dan fokus penyelidikan dan pembangunan secara beransur-ansur telah bergeser dari bidang turbin gas penerbangan kepada bidang turbin gas berat, dan turbin gas kelas E, F, G, H, J telah dibangunkan.

Saat ini, dalam pasaran turbin gas berat, banyak produk Mitsubishi Jepun lebih disenangi oleh awam. Antaranya, turbin gas jenis JAC yang dikeluarkan oleh Mitsubishi Heavy Industries dikenali sebagai turbin gas paling cekap di dunia, dengan kecekapan pengeluaran kuasa kitaran gabungan boleh mencapai 64% atau lebih tinggi. Turbin gas M701J, turbin gas dengan kecekapan terma tertinggi di dunia untuk pengeluaran kuasa, mempunyai kuasa kitaran mudah 470 MW dan kuasa kitaran gabungan 680 MW. Selain itu, turbin gas M501J masih mempunyai kecekapan terma 55% pada keadaan bebanan 50%, dan prestasinya sangat cemerlang.

Turbina gas berat kelas SGT5-9 000HL 50 HZ yang dikembangkan dan diproduksi oleh Siemens, Jerman, adalah turbina gas berat paling kuat dengan keluaran daya tunggal tertinggi di dunia. Turbina gas berat ini boleh menghasilkan sehingga 840 MW elektrik dalam mod kitaran gabungan, dan kecekapan kitaran gabungannya juga mencapai 63%, tetapi ia bukan turbina gas paling cekap dalam kitaran gabungan.

Pada Oktober 2019, GE melancarkan turbin gas berjisim 7HA.03, yang mempunyai keluaran kuasa kitaran gabungan maksimum sedikit lebih rendah berbanding turbin gas berjisim kelas SGT5-9000HL Siemens, mencapai 821 MW, tetapi kecekapan kitaran gabungannya dipercayai setinggi 63.9%. Pada tahun 2022, turbin gas 7HA.03 telah dimasukkan ke dalam operasi perdagangan untuk pertama kali, dengan kecekapan pengeluaran kuasa kitaran gabungan melebihi 64% dan kadar pertumbuhan beban hingga 75 MW/minit. Turbin gas 7HA.03 boleh mengurangkan pembebasan sebanyak 70%. Untuk mengurangkan pelepasan karbon dari pembangkitan kuasa gas dengan lebih lanjut, turbin gas 7HA.03 GE kini menyokong pembakaran 50% hidrogen secara isipadu dan mempunyai keluaran bersih 430 MW dalam satu kitaran. Pembangkit kuasa turbin gas berjisim "satu-tow" 7HA.03 boleh memberi pengeluaran kuasa sehingga 640 MW, manakala pembangkit kuasa turbin gas berjisim "dua-tow" 7HA.03 boleh memberi pengeluaran kuasa sehingga 1 282 MW.

Hari ini, suhu masukan bagi turbin gas berat paling canggih di dunia adalah sekitar 1,600 ° C [11]. Beberapa profesional telah meramalkan bahawa suhu masukan maksimum turbin gas pada masa depan boleh mencapai 1,700 ℃ , dan kecekapan kitaran tunggal dan kitaran gabungan boleh mencapai 44% ~ 45% dan 65% masing-masing [10].

Sebagai ringkasan, walaupun tahap teknologi turbin gas berat di China telah membuat kemajuan besar berbanding dengan dahulu, masih terdapat perbezaan yang besar dalam tahap teknologi pengeluaran dan penyelenggaraan berbanding dengan negara-negara maju, seperti ditunjukkan dalam Jadual 1. Oleh sebab itu, pembuat tempatan dan penyelidik harus pertama-tama memahami dengan jelas status pembangunan turbin gas berat China, meningkatkan kepentingan penyelidikan dan pembangunan turbin gas berat, pada masa yang sama dengan sokongan dasar negara, terus meningkatkan pelaburan modal dalam penyelidikan teknologi turbin gas berat, fokus kepada kelebihan semua pihak untuk pembangunan sepenuhnya turbin gas berat. Cuba sempitkan perbezaan antara tahap teknologi turbin gas berat negara kita dan negara-negara maju lain. Oleh itu, tahap teknologi turbin gas berat di China masih mempunyai ruang besar untuk pembangunan, dan trend pembangunan masa depannya terutamanya menuju empat aspek ini, iaitu parameter tinggi, prestasi tinggi, pencemaran rendah dan skala besar [12].